La fotosintesi clorofilliana è l'insieme delle reazioni durante le quali le piante verdi producono sostanze organiche - principalmente carboidrati - a partire dall'anidride carbonica e dall'acqua, in presenza di luce. Questa serie di reazioni chimiche rientra nei processi anabolici (sintesi) dei carboidrati ed è del tutto opposta ai processi inversi di catabolisi (ossidazione).
Mediante la clorofilla, la luce solare permette di trasformare CO2 e acqua in glucosio, fondamentale per la vita della pianta. Come sottoprodotto della reazione si hanno 6 molecole di ossigeno che la pianta libera nell' atmosfera grazie agli stomi delle sue foglie.
Questo processo è quello nettamente dominante sulla Terra per la produzione di composti organici da sostanze inorganiche e, probabilmente, rappresenta la prima forma di processo anabolico sviluppato dagli organismi viventi. Inoltre, la fotosintesi è l'unico processo biologicamente importante in grado di raccogliere l'energia solare, da cui, fondamentalmente, dipende la vita sulla Terra.
La quantità di energia solare catturata dalla fotosintesi è immensa, dell'ordine dei 100 terawatt, che è circa sei volte quanto consuma attualmente la civiltà umana. Oltre che dell'energia, la fotosintesi è anche la fonte di carbonio dei composti organici degli organismi viventi. La fotosintesi trasforma circa 115*10^9 chilogrammi di carbonio in bioprodotti ogni anno.
La fotosintesi clorofilliana avviene per tappe riunibili in due fasi: 1. la fase luminosa (o fase luce-dipendente), dipendente dalla luce; 2. la fase di fissazione del carbonio (o fase oscura, indipendente dalla luce).
La seconda fase viene anche definita fase al buio; il termine, tuttavia, potrebbe essere fuorviante, in quanto non si riferisce all'assenza della luce dato che alcuni enzimi coinvolti in questa fase sono direttamente attivati proprio dalla luce, tanto che avviene contemporaneamente alla fase luminosa e non di notte. Infatti in assenza di luce si ha scarsità di ATP e, che si formano durante la fase luminosa e gli stomi si chiudono, dunque non vi è accesso di CO2; inoltre si verifica anche l'inattività di alcuni enzimi che sono luce-dipendenti.
Il processo fotosintetico si svolge all'interno dei cloroplasti. All'interno di questi si trova un sistema di membrane che formano pile di sacchetti appiattiti (tilacoidi), dette grani, e delle lamelle di collegamento dei grani (lamelle intergrana). All'interno di queste membrane troviamo delle molecole di clorofilla, aggregate a formare i cosiddetti fotosistemi. Si possono distinguere il fotosistema I e il fotosistema II. I fotosistemi sono un insieme di molecole di pigmenti disposti in modo da circondare una molecola di clorofilla speciale detta "a trappola".
Il fotosistema I è formato da un LHC (complesso che cattura la luce - in inglese Light Harvesting Complex) costituito da circa 70 molecole di clorofilla a e b e da 13 diversi tipi di catene polipeptidiche. Il fotosistema II è anch'esso composto da un LHC, formato da circa 200 molecole di clorofilla a e b, nonche da diverse catene polipeptidiche.
Tutte queste molecole sono in grado di catturare l'energia luminosa, ma solo quelle di clorofilla a sono in grado di passare ad uno stato eccitato che attiva la reazione fotosintetica. Le molecole che hanno solo funzione di captazione sono dette molecole antenna; quelle che attivano il processo fotosintetico sono definite centri di reazione. La "fase luminosa" è dominata dalla clorofilla a, le cui molecole assorbono selettivamente luce nelle porzioni rossa e blu-violetta dello spettro visibile, attraverso una serie di altri pigmenti coadiuvanti.
L'energia catturata dalle molecole di clorofilla consente la promozione di elettroni da orbitali atomici a energia minore ad orbitali ad energia maggiore. Questi vengono subito sostituiti mediante scissione di molecole d'acqua (che, da H2O, si scinde in due protoni, due elettroni ed un ossigeno grazie alla fotolis, operata dal complesso evolvente ossigeno associato al fotosistema II). Gli elettroni liberati dalla clorofilla del fotosistema II vengono immessi in una catena di trasporto, durante la quale perdono energia, passando ad un livello energetico inferiore. L'energia persa viene utilizzata per pompare protoni dallo stroma all'interno dello spazio del tilacoide, creando un gradiente protonico. Infine gli elettroni giungono al fotosistema I, che a sua volta, per effetto della luce, ha perso altri elettroni. Gli elettroni persi dal fotosistema I vengono trasferiti alle ferredossina. Tramite la proteina di membrana ATP-sintetasi situata sulla membrana del tilacoide (strati membranosi interni al cloroplasto o, nel caso dei batteri autotrofi, distribuiti nel citoplasma), gli ioni H+ liberatisi dall'idrolisi dell'acqua passano dallo spazio del tilacoide allo stroma, cioò verso gradiente, sintetizzando ATP a partire da gruppi liberi di fosfato e ADP. Si può formare una molecola di ATP ogni due elettroni persi dai fotosistemi. Studi vari hanno dimostrato che la pianta cresce di più con luce diffusa che con luce diretta, a parità di potenza luminosa entrante.