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Die Fotosynthese besteht aus zwei übergeordneten Vorgängen, die jede Menge Teilreaktionen enthalten: den Lichtreaktionen (der Foto- bzw. Lichtteil der Fotosynthese) und dem CALVIN-Zyklus (auch Dunkelreaktionen – der Syntheseteil der Fotosynthese).

Innerhalb der Lichtreaktionen werden die stofflichen Voraussetzungen (ATP, NADPH + H⁺) für die darauffolgenden lichtunabhängigen Reaktionen gebildet. Die Lichtreaktionen finden an den Thylakoidmembranen der Chloroplasten statt, die dafür besondere Strukturen aufweisen: Fotosystem I und II, Elektronentransportkette sowie das Enzym ATP-Synthase.

ROBERT EMERSON (1903-1959) fand durch den nach ihm benannten EMERSON-Effekt experimentell heraus, dass zwei Fotosysteme existieren und damit zwei Lichtreaktionen zusammenwirken.
Fotosysteme absorbieren mithilfe der Fotosynthesepigmente die Lichtenergie. Die absorbierte Lichtenergie wird innerhalb des Fotosystems zu einem Reaktionszentrum weitergeleitet. Dort werden Elektronen auf ein höheres Energieniveau gebracht und stehen für zwei verschiedene Elektronentransporte zur Verfügung.
Beim nichtzyklischen Elektronentransport gelangen die Elektronen von einem Akzeptor des Fotosystems II über eine Elektronentransportkette zum Fotosystem I und daher nicht zu ihrem Ursprungsort zurück. Beim Transport der Elektronen wird mithilfe der Chemiosmose ATP gebildet (nichtzyklische Fotophosphorylierung). Am Fotosystem II findet die Fotolyse des Wassers statt, sodass neben Elektronen und Protonen auch Sauerstoff entsteht. Diese Protonen reagieren später zusammen mit den energiereichen Elektronen des Fotosystems I zum Reduktionsmittel NADPH + H⁺.

Beim zyklischen Elektronentransport ist nur das Fotosystem I beteiligt. Die durch Lichtabsorption entstehenden energiereichen Elektronen kehren zu ihrem Ursprungsort zurück. Dabei entsteht zusätzlich ATP.

Die Chloroplasten gehören neben Amylo-, Leuko- und Chromoplasten zu miteinander verwandten Pflanzenorganellen, die als Plastiden bezeichnet werden. Man findet sie in Blättern und anderen Organen der grünen Pflanzen sowie in ein- oder vielzelligen Algen. Sie enthalten den grünen Farbstoff Chlorophyll, Enzyme und Moleküle, die zum fotosynthetischen Stoffwechsel nötig sind.
Chloroplasten (bei Pflanzen haben sie einen Durchmesser von 1 bis 5 µm) als Zellorganellen der Fotosynthese lassen sich schon im Lichtmikroskop als linsenförmige Körperchen erkennen. Mithilfe des Elektronenmikroskops erhält man einen Einblick in die Feinstruktur der Chloroplasten. Sie bestehen im Innenraum aus einer Grundsubstanz (Stroma), lamellenartigen Membranen (Stroma- bzw. Granathylakoide), ringförmiger DNA, Assimilationsstärke, Ribosomen u. a. und werden nach außen durch eine Doppelmembran gegenüber dem Cytoplasma abgegrenzt. Durch spezielle Techniken, wie z. B. Gefrierätztechnik gelang es, den Feinbau der Thylakoidmembranen zu ermitteln. Diese enthalten besondere Strukturen, wie z. B. Fotosystem I und II, ATP-Synthase und die Enzym-Komplexe einer Elektronentransportkette.

Der zelluläre Baustein aller Eukaryoten, gleichgültig ob Ein- oder Vielzeller, Pflanzen, Pilze oder Tiere, ist der Eucyt. Gegenüber dem Procyten zeichnet sich dieser Zelltyp grundsätzlich in erster Linie durch folgende Baueigenheiten aus: