Фотосинтез происходит при участии пигментов (хлорофиллов у растений, бактериохлорофиллов — у бактерий). В основе фотосинтеза лежат окислительновосстановительные реакции, в которых электроны переносятся от донора (, ) к акцептору () с образованием восстановленных соединений (углеводов, ) и выделением  (если донор электронов — ),  (из ) и др.

Уравнение фотосинтеза имеет вид

где  — восстановитель, который окисляется до . В высших растениях, водорослях и цианобактериях восстановителем служит вода, а продуктом фотосинтеза — кислород. Такой фотосинтез называют оксигенным.

Механизм фотосинтеза включает множество стадий, отличающихся по энергии и времени протекания. Строение фотосинтетических устройств и число стадий фотосинтеза различны для разных живых организмов, однако три основных процесса являются общими:

1. поглощение света фотоантеннами и перенос энергии электронного возбуждения от фотоантенны в реакционный центр;
2. перенос электрона в реакционном центре и создание состояния с разделенными зарядами;
3. химические реакции, которые приводят к синтезу веществ — первичных (востановленная форма никотинамидадениндинуклеотидфосфата — НАДФН и аденозинтрифосфат — АТФ) и конечных продуктов фотосинтеза.

Энергия при фотосинтезе переходит из одной формы в другую по схеме: световая → электронная → электрическая → химическая. Все компоненты природных фотосинтетических устройств — фотоантенны, реакционный центр и др. — представляют собой наноструктуры белковой природы.

Фотосинтез — один из самых распространенных процессов на Земле; он обеспечивает круговорот в природе углерода, кислорода и других элементов. Фотосинтез составляет материальную и энергетическую основу всего живого на планете. Ежегодно в результате фотосинтеза в виде органических вещества связывается около 8 · 10¹⁰ т углерода, образуется до 10¹¹ т целлюлозы. Благодаря фотосинтезу растения суши производят около 1,8 · 10¹¹ т сухой биомассы в год; примерно такое же количество биомассы растений образуется ежегодно в Мировом океане. Тропический лес вносит до 29% в общую продукцию фотосинтеза суши, а вклад лесов всех типов составляет 68%. Фотосинтез высших растений и водорослей — единственный источник атмосферного O₂.