Chloroplasty obsahujú zelené farbivo chlorofyl, naviazaný na bielkovinový nosič. Na vnútorných membránach chloroplastov sú zrnité štruktúry (guľôčky), ktoré tvoria fotosystém I a fotosystém II. Sú to najmenšie elementárne častice schopné uskutočniť fotosyntetické reakcie, preto sa považujú za vlastné výrobné jednotky fotosyntézy. Fotosystém I a fotosystém II obsahuje:
- Fotochemické pigmenty, ktoré v prípade vyšších rastlín tvorí sedem rôznych typov chlorofylov. Najvýznamnejší z nich je chlorofyl a, ktorý absorbuje energiu svetla a dokáže využiť i energiu prenášačov. Asimilačné pigmenty sú bakteriochlorofyl (aktívny chlorofyl prokaryotov-červené baktérie), bakterioviridín (zelené, sírne baktérie), fykobilíny-fykocyanín (sinice), fykoerytrín (riasy) a napokon chlorofyl b c d e, karotény a xantofyly.
- Nefotochemické látky (organické), najmä cytochrómy, feredoxín a fytochinón, prenášajú na energiu bohaté elektróny späť k chlorofylu, pričom sa odovzdáva energia žiarenia.
- Koenzýmy (bielkoviny) - NADP (nikotínamid-adenín-dinukleotid-fosfát) a NAD, prenášajú vodík, tak vzniká redukovaná forma NADPH, ktorá sa uplatňuje pri redukcii oxidu uhličitého na cukor.

Chemické aspekty fotosyntézy:
Podstatou fotosyntézy je premena anorganických látok na organické sprevádzaná uvoľňovaním kyslíka za prítomnosti svetelnej energie a asimilačného farbiva. Proces možno rozdeliť na dve etapy:
1. Svetelná fáza. Uskutočňuje sa len za prítomnosti svetla. Premena slnečnej energie na chemickú je spojená s metabolizmom fosforečných zlúčenín prenosom elektrónov v oxidačno-redukčných reakciách.
2. Tmavá fáza. V tmavej fáze, ktorú reprezentujú biochemické procesy, nastáva transformácia anorganických látok na organické látky, pričom sa mení chemická energia adenozíntrifosfátu (ATP) na chemickú energiu organických zlúčenín. Redukcia oxidu uhličitého na sacharidy je možná len za prítomnosti ATP a NADPH, ktoré sa syntetizujú v svetelnej fáze. Sekundárne deje nezávisia priamo od svetla - môžu prebiehať aj za tmy.

Fyzikálno-chemický mechanizmus fotosyntézy:
Podstatou svetelnej fázy je transport elektrónov e­ spojený s tvorbou fosforečných zlúčenín bohatých na energiu, adenozíntrifosfátu (ATP). Uskutočňujú ho dve pigmentové sústavy.
Fotosystém I uskutočňuje 1. svetelnú reakciu, ktorá je aktivovaná najmä fotónmi s vlnovou dĺžkou do 730 nm.