Die Fotosynthese ist ein mehrteiliger, biochemischer Prozess, der sowohl von Pflanzen als von einigen Bakterien genutzt wird. Bei der Fotosynthese nutzt die Zelle Kohlendioxid und Sonnenenergie, um Glukose zu produzieren. Sie speichert chemische Energie in Form von Kohlenhydraten. Die gesamte biochemische Formel der Fotosynthese lautet 6 CO₂ + 6 H₂O + Lichtenergie → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Durch die Fotosynthese wird Sauerstoff in die Atmosphäre freigesetzt. Dieser freigesetzte Sauerstoff ist weitgehend für die Aufrechterhaltung des Luftsauerstoffgehalts der Erde verantwortlich.

Fotosynthetische Reaktionen finden in Chloroplasten statt. Bei Chloroplasten handelt es sich um spezialisierte, membranumschlossene Kompartimente in der Pflanzenzelle. Sie bestehen aus „geldrollenartigen“ Stapeln von Thylakoiden. Man nennt einen solchen Stapel Granum. Die Thylakoidmembranen sind mit Chlorophyll angereichert. Dies sind grünfarbige Pigmente, die Pflanzen und vor allem ihren Blättern ihre grüne Farbe verleihen. Das Chlorophyllmolekül absorbiert Lichtenergie in Form von Photonen violett-blauer, oranger und roter Wellenlänge. Die Photonen initiieren eine Kaskade, die die Reaktionen von Fotosystem II und Fotosystem I antreibt, wobei ATP und NADPH produziert wird. Diese beiden Moleküle werden dann dazu verwendet, die lichtunabhängigen Reaktionen des Calvin-Zyklus zur Herstellung komplexer Kohlenhydrate anzutreiben. Sie finden im Stroma des Chloroplasts statt.

Einige Pflanzen, wie zum Beispiel Mais und Kakteen, die in trockenen und heißen Klimazonen wachsen, nutzen modifizierte Reaktionswege um Kohlenstoff in Zucker umzuwandeln. Sie besitzen beispielsweise C₄ und CAM-Pfade. Diese Anpassung an das Klima reduziert die Photorespiration. Das ist ein Prozess, bei dem das Enzym Rubisco O₂ bindet und Zucker verbrennt, anstatt ihn durch Bindung von CO₂ zu produzieren. CAM- und C4-Pflanzen trennen die CO₂ Fixierung und die Glukosesynthese zeitlich oder durch den Einsatz spezialisierter Zellkompartimente für beide Prozesse.