Le alghe verdi e le piante, tra cui steli verdi e frutti acerbi, ospitano cloroplasti, gli organelli vitali dove avviene la fotosintesi. Nelle piante, la più alta densità di cloroplasti si trova nelle cellule di mesofilla delle foglie.

Una doppia membrana circonda i cloroplasti. La membrana esterna si affaccia sul citoplasma della cellula vegetale da un lato e sullo spazio intermembrano del cloroplasto dall'altro. La membrana interna separa lo stretto spazio intermembrano dall'interno acquoso del cloroplasto, chiamato stroma.

All'interno dello stroma, un altro insieme di membrane forma compartimenti a forma di disco, noti come tilakoidi. L'interno di un tilakoide è chiamato il lume tilakoide. Nella maggior parte delle specie vegetali, i tilakoidi sono interconnessi e formano pile chiamate grana.

Incorporato nelle membrane dei tilacoidi sono complessi multi-proteine luce-raccolta (o antenna). Questi complessi sono costituiti da proteine e pigmenti, come la clorofilla, che catturano l'energia luminosa per eseguire le reazioni dipendenti dalla luce della fotosintesi. Questi processi rilasciano ossigeno e producono energia chimica sotto forma di ATP e NADPH.

La seconda parte della fotosintesi, il ciclo Calvin, è indipendente dalla luce e si svolge nello stroma del cloroplasto. Il ciclo Calvin cattura CO₂ e utilizza l'ATP e l'NADPH per produrre zucchero.

I cloroplasti coordinano le due fasi della fotosintesi. La fotosintesi rilascia ossigeno e zuccheri, la base della biomassa vegetale che alimenta direttamente o indirettamente la maggior parte della vita sulla Terra.