Algas verdes e plantas, incluindo caules verdes e frutos não maduros, contêm cloroplastos—os organelos vitais onde ocorre a fotossíntese. Nas plantas, a maior densidade de cloroplastos é encontrada nas células mesófilas das folhas.

Uma membrana dupla envolve os cloroplastos. A membrana externa está voltada para o citoplasma da célula vegetal de um lado e para o espaço intermembranar do cloroplasto do outro. A membrana interna separa o estreito espaço intermembranar do interior aquoso do cloroplasto, chamado de estroma.

Dentro do estroma, outro conjunto de membranas formam compartimentos em forma de disco—conhecidos como tilacóides. O interior de um tilacóide é chamado de lúmen do tilacóide. Na maioria das espécies de plantas, os tilacóides estão interligados e formam pilhas chamadas grana.

Embutidos nas membranas dos tilacóides estão complexos multi-proteicos que recolhem luz (ou antenas). Esses complexos consistem em proteínas e pigmentos, como a clorofila, que capturam energia da luz para realizar as reações dependentes da luz da fotossíntese. Esses processos libertam oxigénio e produzem energia química na forma de ATP e NADPH.

A segunda parte da fotossíntese—o ciclo de Calvin—é independente da luz e ocorre no estroma do cloroplasto. O ciclo Calvin captura CO₂ e usa o ATP e o NADPH para produzir açúcar.

Os cloroplastos coordenam as duas fases da fotossíntese. A fotossíntese liberta oxigénio e açúcares—a base da biomassa vegetal que alimenta direta ou indiretamente a maior parte da vida na Terra.