光合作用是一个多部分的生化过程，发生在植物和一些细菌中。它捕获二氧化碳和太阳能来产生葡萄糖。葡萄糖以碳水化合物的形式储存化学能。光合作用的总生化公式为6 CO₂ + 6 H₂O +光能→C₆H₁₂O₆ + 6 O₂。光合作用将氧气释放到大气中，并在很大程度上负责维持地球大气中的氧气含量。

光合反应发生在叶绿体中，叶绿体是植物细胞中一种特殊的膜封闭的细胞。叶绿体由一堆硬币状的类囊体组成。一个这样的堆栈称为叶绿体基粒（granum）。类囊体膜富含叶绿素，这是一种绿色色素，赋予植物，特别是它们的叶子绿色。叶绿素分子以光子的形式吸收紫蓝色、橙色和红色波长的光能。光子启动一个级联，为光系统II和光系统I产生ATP和NADPH的反应提供能量。然后，这两个分子被用来驱动在叶绿体基质中发生的卡尔文循环的光独立反应，产生复杂的碳水化合物。

有些植物，如玉米和仙人掌，生长在干燥、炎热的气候条件下，利用改良的碳固定工艺生产糖类，如C4。这些气候适应降低了光呼吸—二磷酸核酮糖羧化酶结合O2并燃烧糖而不是通过结合CO2来产生糖的过程。 CAM和C4 植物能够及时分离CO2固定和葡萄糖合成，或者通过对这两个过程使用专门的细胞室。