La photosynthèse se déroule dans des structures membranaires, les thylakoïdes, très riches en protéines et pigments ; les plus connus étant les chlorophylles ; ces pigments (par exemple : chlorophylle a,b et caroténoïdes) présentent différents spectres d'absorption.
Chez les eucaryotes photosynthètiques, la photosynthèse se déroule dans un organite spécifique : le chloroplaste issu de l'endosymbiose d'une cyanobactérie il y a environ un milliard et demi d'années.
Dans la cellule, au sein des membranes photosynthétiques, des « antennes collectrices de lumière » (décrite au début des années 2000, à une résolution quasi-atomique grâce à la cristallographie-rayons X) augmentent et régulent la section efficace de capture de l'énergie lumineuse. Elles permettent d'orienter l'énergie lumineuse vers d'autres protéines membranaires : les centres réactionnels, qui transformeront cette énergie lumineuse en énergie chimique.
L'ensemble des antennes collectrices et des centres réactionnels est appelé « photosystème ». Les photosystèmes interviennent dans la première phase de la photosynthèse en capturant les premiers électrons initiant la réaction photochimique.
Quand la lumière est "trop" intense, un mécanisme de protection (non photochimique) se met en place, évacuant l’excès d’énergie lumineuse sous forme de chaleur pour limiter le stress oxydatif destructeur que causerait sans cela la formation d'espèces réactives de l'oxygène. On a d'abord cru que l’antenne collectrice de lumière LHCII changeait de conformation, mais des travaux récents (spectroscopie) laissent penser qu'elle est rigide, et orientent vers un nouveau mécanisme (peut-être une inactivation par interaction avec une autre protéine).
La photosynthèse est l’un des plus anciens processus biogéochimiques de la terre. On a retrouvé par exemple des microfossiles d’organismes similaires à des bactéries, vieux de 3,8 milliards d’années, probablement capables de réaliser la photosynthèse.
C'est aussi le plus important. Elle fournit la quasi totalité de la matière organique et de l’énergie nécessaires à l’existence des écosystèmes de la planète, les autres mécanismes de chimiosynthèse, comme la chimiolithotrophie, (et les organismes qui en dépendent), étant marginaux.
Toutes les plantes terrestres et toutes les algues ainsi que certaines bactéries se servent de la photosynthèse.
La photosynthèse comprend trois phases :
Les premiers éléments ainsi fabriqués, via le cycle de Calvin, sont des sucres (glucose). Ce processus est représenté par l'équation suivante :
On rencontre également souvent, cette équation sous la forme d'un simple bilan de matière, ce qui masque le fait que les atomes du dioxygène produit ne proviennent que de l’eau :
Remarque : certains organismes photosynthétiques (des bactéries) ne produisent pas d'O et le CO n’est pas l'unique source de carbone. Ces molécules d'O2 et de CO2 ne sont donc pas les dénominateurs communs de la photosynthèse. Il serait alors plus rigoureux de définir la photosynthèse comme étant « une série de processus dans lesquels l’énergie électromagnétique est convertie en énergie chimique utilisée pour la biosynthèse du matériel cellulaire » comme le propose Gest (2002).
La photosynthèse peut se faire dans les bactéries (chez les cyanobactéries), certains protistes, et dans les chloroplastes des plantes des algues. pour être le siège d'un processus de photosynthèse, cependant il ne produit pas lui-même les chloroplastes où elle se déroule, il les trouve dans les algues dont il se nourrit.