光合作用是植物、藻类和一些细菌将阳光转化成能量的过程，光合作用释放氧气并产生糖。光合作用对于地球生态最大的作用是为大气提供了氧气条件。

在18世纪，光合作用能够将水和二氧化碳，在光的条件下转变成有机物和氧，就已经被人们知晓。在光合作用中，主要分为两个阶段，分别是光反应阶段和暗反应阶段。光反应阶段是对光的吸收，并产生氧气；暗反应阶段涉及二氧化碳的固定，并将之转变为糖。

在光合作用中，植物从周围的空气吸收二氧化碳，并释放出氧气，主要是通过叶片上的气孔来完成的。在有光照的白天，气孔打开，二氧化碳进入，同时有氧气逸出。但在炎热干燥缺水的环境中，为了减少水分的流失，气孔往往是关闭状态。

植物含有特殊的色素，是特定化学基团分子，能够吸收可见光谱中特定的波长，这一过程主要在叶绿素上发生。叶绿素对光的吸收非常有效，地球上大部分太阳光的波长范围都能被吸收，主要吸收蓝光和红光，叶绿素对光的吸收处于核心作用。

除了叶绿素之外，类囊体含有其他相关色素，能够帮助叶绿素提高对光的吸收效率，这类色素主要是类胡萝卜素，是一个含脂的分子家族，类胡萝卜素吸收紫色光和蓝色光。另一类帮助叶绿素进行光合作用的色素是藻胆，它存在于红藻和蓝细菌中。

光合作用就是植物、藻类和细菌利用光能将碳进行还原的过程。在真核生物中，捕获光能的反应只能发生在特殊的细胞器——叶绿体中进行。叶绿体是植物细胞所特有的能量转换细胞器，其功能是进行光合作用，即利用光能同二氧化碳和水，合成糖，同时释放氧气。

在光吸收过程中，光反应中心的叶绿素分子被激发释放电子成高能电子，这一过程仅仅完成了光能向电能的转换。将高能电子的自由能储备起来，同时使光反应中心叶绿素分子获得低能电子以补充失去的电子，恢复静息状态，这一过程就涉及水的光解和电子传递。水被光电解释放电子的同时还释放氧气和氢离子。

二氧化碳固定的C3途径是一个循环过程，被称为C3循环，由于这一过程是卡尔文发现，因此又被称为卡尔文循环。可分为三个阶段，羧化、还原和RBP的再生。通过卡尔文循环，将二氧化碳转变成葡萄糖通常消耗18分子的ATP基尔12个NADPH。六碳糖的合成是在胞质溶胶中进行的，叶绿体通过光合作用合成的3-磷酸甘油醛作为六碳糖合成的原料被交换转运到胞质溶胶中，通过缩合反应，2分子的GAP合成1分子1,6-二磷酸果糖，然后再进一步转变成葡萄糖。