Algas verdes y plantas, incluyendo tallos verdes y fruta no madura, albergan cloroplastos, los orgánulos vitales donde se lleva a cabo la fotosíntesis. En las plantas, la mayor densidad de cloroplastos se encuentra en las células mesofílicas de las hojas.

Una membrana doble rodea los cloroplastos. La membrana externa se enfrenta al citoplasma de la célula vegetal en un lado y al espacio intermembrano del cloroplasto en el otro. La membrana interna separa el estrecho espacio intermembrano del interior acuoso del cloroplasto, llamado estroma.

Dentro del estroma, otro conjunto de membranas forman compartimentos en forma de disco, conocidos como tilakoids. El interior de un tilakoide se llama lumen tilakoide. En la mayoría de las especies de plantas, los tilakoids están interconectados y forman pilas llamadas grana.

Las membranas tilakoideas están integradas en complejos multi proteico de recolección de luz (o antena). Estos complejos consisten en proteínas y pigmentos, como la clorofila, que capturan la energía lumínica para realizar las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis. Estos procesos liberan oxígeno y producen energía química en forma de ATP y NADPH.

La segunda parte de la fotosíntesis, el ciclo de Calvin, es independiente de la luz y tiene lugar en el estroma del cloroplasto. El ciclo de Calvin captura CO₂ y utiliza el ATP y el NADPH para producir azúcar en última instancia.

Los cloroplastos coordinan las dos etapas de la fotosíntesis. La fotosíntesis libera oxígeno y azúcares, la base de la biomasa vegetal que afecta directa o indirectamente a la mayor parte de la vida en la Tierra.