التمثيل الضوئي هو عملية كيميائية حيوية متعددة الأجزاء تحدث في النباتات وكذلك في بعض البكتيريا. يلتقط ثاني أكسيد الكربون والطاقة الشمسية لإنتاج الجلوكوز. يخزن الجلوكوز الطاقة الكيميائية على شكل كربوهيدرات. الصيغة الكيميائية الحيوية الكلية لعملية التمثيل الضوئي هي 6 CO₂ + 6 H₂O + الطاقة الخفيفة → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. يطلق التمثيل الضوئي الأكسجين في الغلاف الجوي وهو مسؤول إلى حد كبير عن الحفاظ على محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض.

تحدث تفاعلات التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء ، وهي حجرات مخصصة محاطة بغشاء في الخلية النباتية. تتكون البلاستيدات الخضراء من أكوام من الثايلاكويدات تشبه العملات المعدنية. أحد هذه الاكوام يسمى جرانوم. يتم إثراء أغشية الثايلاكويد بالكلوروفيل ، وهو صبغة خضراء تعطي النباتات وخاصة أوراقها اللون الأخضر. يمتص جزيء الكلوروفيل الطاقة الضوئية على شكل فوتونات من أطوال موجية زرقاء بنفسجية وبرتقالية وحمراء. تبدأ الفوتونات في شلال يقوي تفاعلات النظام الضوئى II و النظام الضوئي I التي تنتج أدينوسين ثلاثي الفوسفات و NADPH. ثم يتم استخدام هذين الجزيئين لتشغيل التفاعلات المستقلة للضوء لدورة كالفين التي تحدث في سدى البلاستيدات الخضراء لإنتاج الكربوهيدرات المعقدة.

تستخدم بعض النباتات ، مثل الذرة والصبار التي تنمو في المناخات الجافة والحارة ، عمليات تثبيت الكربون المعدلة لإنتاج السكريات ، مثل مسارات C₄ و CAM. هذه التكيفات المناخية تقلل من التنفس الضوئي _ وهي عملية يربط فيها إنزيم الروبيسكو O₂ ويحرق السكر بدلاً من إنتاجه عن طريق ربطه بـ CO₂. تقوم CAM و C4 في النباتات بتثبيت ثاني أكسيد الكربون وتخليق الجلوكوز في الوقت المناسب ، أو باستخدام مقصورات خلايا متخصصة لكلتا العمليتين.