光合作用的過程是一個比較復雜的問題，從表面上看，光合作用的總反應式似乎是一個簡單的氧化還原過程，但實質上包括一系列的光化學步驟和物質轉變問題。根據現代的資料，整個光合作用大致可分為下列3大步驟：①原初反應，包括光能的吸收、傳遞和轉換；②電子傳遞和光合磷酸化，形成活躍化學能（ATP和NADPH）；③碳同化，把活躍的化學能轉變為穩定的化學能（固定CO2，形成糖類）。在介紹光合作用的反應過程前，對光合作用過程中涉及的光合色素及光系統進行一定的了解是必要的。
1. 光合色素
葉綠體由雙層膜、類囊體和基質三部分組成。類囊體是單層膜同成的扁平小囊，沿葉綠體的長軸平行排列。膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分，光能向化學能的轉化是在類囊體上進行的。類囊體膜上的色素有兩類：葉綠素和橙黃色的類胡蘿卜素，通常葉綠素和類胡蘿卜素的比例約為3 : 1，而葉綠素a（chl a）與葉綠素b（chl b）的比例也約為3 : 1。根據功能區分，葉綠體類囊體膜上的色素又可分為兩種：一種是作用中心色素，少數特殊狀態的葉綠素a分子屬于此類；而另一種則是聚光色素，絕大多數色素（包括大部分葉綠素a和全部葉綠素b胡蘿卜素、葉黃素）屬于聚光色素。 其中，聚光色素（light-harvesting pigment）沒有光化學活性，只有收集光能的作用，像漏斗一樣把光能聚集起來，傳到反應中心色素，完成光化學反應。
2. 光合作用中心
光合作用中心，也稱反應中心，是進行原初反應的最基本的色素蛋白結構。其至少包括一個光能轉換色素分子（P）、一個原初電子受體（A）和一個原初電子供體（D），才能導致電荷分離，將光能轉換為電能，并且累積起來。光合作用中心可以認為是光能轉換的基本單位。
3. 光系統
光合作用的光化學反應是由兩個包括光合色素在內的光系統完成的，即光系統Ⅰ（簡稱PSⅠ）和光系統Ⅱ（簡稱PSⅡ）。每個光系統均具有特殊的色素復合體等物質。
光合作用的第一幕是原初反應（primary reaction）。它是指光合作用中從葉綠素分子受光激發到引起第一個光化學反應為止的過程，其中包含色素分子對光能的吸收、傳遞和轉換的過程。兩個光系統（PSⅠ和PSⅡ）均參加原初反應。
當波長范圍為400 ~ 700 nm的可見光照射到綠色植物時，聚光色素系統的色素分子吸收光量子后，變成激發態。由于類囊體片層上的色素分子排列得很緊密（10 ~ 50 nm），光量子在色素分子之間以誘導共振方式進行快速傳遞。此外，能量即可以在相同色素分子之間傳遞，也可以在不同色素分子之間傳遞。因此能量傳遞效率很高。這樣，聚光色素就像透鏡把光束集中到焦點一樣把大量的光能吸收、聚集，并迅速傳遞到反應中心色素分子。
光化學反應（photochemical reaction），是光合作用的核心環節，能將光能直接轉變為化學能。當特殊葉綠素a對（P）被光激發后成為激發態P*，放出電子給原初電子受體（A）。葉綠素a被氧化成帶正電荷（P+）的氧化態，而受體被還原成帶負電荷的還原態（A-）。氧化態的葉綠素（P+）在失去電子后又可從次級電子供體（D）得到電子而恢復電子的還原態。這樣不斷地氧化還原，原初電子受體將高能電子釋放進入電子傳遞鏈，直至最終電子受體。同樣，氧化態的電子供體（D+）也要想前面的供體奪取電子，一次直到最終的電子供體水。
以上便是光反應的整個過程，其中光反應中心的光化學反應如下：
所有能進行放氧光合作用生物都具有PSⅠ和PSⅡ兩個光系統。光系統Ⅰ（PSⅠ）能被波長700 nm的光激發，又稱P700；光系統Ⅱ（PSⅡ）吸收高峰為波長680 nm處，又稱P680。PSⅠ和PSⅡ通過電子傳遞鏈連接，并高度有序地排列在類囊體膜上，承擔著電子傳遞和質子傳遞任務。
PSⅡ主要由PSⅡ反應中心（PSⅡ，reaction center）、捕光復合體Ⅱ（light harvesting complexⅡ，LHCⅡ）和放氧復合體（oxygen-evolving complex，OEC）等亞單位組成。其功能是利用光能氧化水和還原質體醌，這兩個反應分別在類囊體膜的兩側進行，即在腔一側氧化水釋放質子于腔內，在基質一側還原質體醌，于是在類囊體兩側建立質子梯度。
細胞色素b6f復合體（cytochrome b6f complex，Cyt b6f）是一個帶有幾個輔基的大而多亞基的蛋白，Cyt b6f復合體包含有2個Cyt b，1個Cyt c（以前稱為Cyt f），1個Rieske Fe-S蛋白（RFe-S），2個醌氧化還原部位。Cyt b6f的主要生理功能是：把PQH2（還原態質子醌）中的電子傳給質體藍素（plastocyanin，PC），同時將氫質子釋放到類囊體的腔。由于PQH2的氫質子來源于葉綠體基質，所以這一過程實際是將進行跨膜轉運，建成跨膜質子梯度，成為合成ATP的原動力。Cytb6f復合體的電子傳遞路線是：PQH2將電子轉到Cytb6f后，通過醌循環，把電子再傳給質體藍素，再傳給PSⅠ的P700。
PSⅠ復合體顆粒較小，直徑為11 nm，僅存在于基質片層和基粒片層的非堆疊區。PSⅠ核心復合體由反應中心色素P700電子受體和PSⅠ捕光復合體（LHCⅠ）組成。PSⅠ的功能是將電子從質體藍素傳遞給鐵氧還蛋白。PSⅠ參與的電子傳遞路線是：核心復合體周圍的LHCⅠ吸收光能，通過誘導共振傳遞到P700，然后按順序將電子傳給原初電子受體A0（Chla）次級電子受體A1（可能是葉醌，即vit K1），再通過鐵硫中心（Fe-S），最后交給鐵氧還蛋白（ferredoxin，Fd）。
1）非循環電子傳遞鏈
非循環電子傳遞鏈從光系統Ⅱ出發，會裂解水，釋出氧氣，生產ATP與NADPH。非循環電子傳遞鏈過程大致如下：
光系統Ⅱ→初級接受者→質體醌→細胞色素復合體→質體藍素→光系統Ⅰ→初級接受者→鐵氧化還原蛋白→還原酶
2）循環電子傳遞鏈
循環電子傳遞鏈不會產生氧氣，因為電子來源并非裂解水。電子從光系統Ⅰ出發，最后會生產出ATP。循環電子傳遞鏈的過程如下：
光系統Ⅰ→初級接受者→鐵氧化還原蛋白→細胞色素復合體→質粒藍素→光系統Ⅰ
光合磷酸化（photosynthetic phosphorylation或photophosphorylation）是指在光合作用中由光驅動并貯存在跨類囊體膜的質子梯度的能量把和磷酸合成為的過程。光合磷酸化有兩個類型：非循環光合磷酸化和循環光合磷酸化。
1.非循環光合磷酸化
OEC處水裂解后，把釋放到類囊體腔內，把電子傳遞到PSⅡ電子在光合電子傳遞鏈中傳遞時，伴隨著類囊體外側的轉移到腔內，由此形成了跨膜的濃度差，引起了的形成；與此同時把電子傳遞到PSⅠ去，進一步提高了能位，而使還原為，此外，還放出。在這個過程中，電子傳遞是一個開放的通路，故稱為非循環光合磷酸化（noncyclic photophosphorylation）。非循環光合磷酸化在基粒片層進行，它在光合磷酸化中占主要地位。
2.循環光合磷酸化
PSⅠ產生的電子經過一些傳遞體傳遞后，伴隨形成腔內外H濃度差，只引起的形成，而不放，也無還原反應：在這個過程中，電子經過一系列傳遞后降低了能位，最后經過質體藍素重新回到原來的起點，也就是電子的傳遞是一個閉合的回路，故稱為循環光合磷酸化（cyclic photophosphorylation）。循環光合磷酸化在基質片層內進行，在高等植物中可能起著補充不足的作用。
CO2同化（CO2assimilation）是光合作用過程中的一個重要方面。碳同化是通過和所推動的一系列CO2同化過程，把CO2變成糖類等有機物質。高等植物固定CO2的生化途徑有3條：卡爾文循環、C4途徑和景天酸代謝途徑。其中以卡爾文循環為最基本的途徑，同時，也只有這條途徑才具備合成淀粉等產物的能力；其他兩條途徑不普遍（特別是景天酸代謝途徑），而且只能起固定、運轉CO2的作用，不能形成淀粉等產物。
1. 卡爾文循環 — C3途徑
卡爾文循環是所有植物光合作用碳同化的基本途徑，大致可分為3個階段，即羧化階段、還原階段和更新階段。
1）羧化階段：CO2必須經過羧化階段，固定成羧酸，然后被還原。核酮糖- 1,5 -二磷酸（RuBP）是CO2的接受體，在核酮糖- 1,5 -二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）作用下，和CO2形成中間產物，后者再與1分子H2O反應，形成2分子的甘油酸- 3 -磷酸（PGA），這就是CO2羧化階段。
2）還原階段：甘油酸- 3 -磷酸被ATP磷酸化，在甘油酸- 3 -磷酸激酶催化下，形成甘油酸- 1,3 -二磷酸（DPGA），然后在甘油醛- 3 -磷酸脫氫酶作用下被NADPH + H+還原，形成甘油醛- 3磷酸（PGAld）。
3）更新階段：更新階段是PGAld經過一系列的轉變，再形成RuBP的過程，也就是RuBP的再生階段。
2. C4途徑
在前人研究的基礎上，Hatch和Slack（1966）發現甘蔗和玉米等的CO2固定最初的穩定產物是四碳二羧酸化合物（蘋果酸和天冬氨酸），故稱為四碳二羧酸途徑（C4 - dicarboxylicacidpathway），簡稱C4途徑，亦稱為Hatch-Slack途徑。具有這種碳同化途徑的植物稱為C4植物（C4plant）。C4途徑包括羧化、轉變、脫羧與還原、再生四個步驟。
1）羧化：C4途徑的CO2受體是葉肉細胞質中的PEP（磷酸烯醇式丙酮酸），在烯醇丙酮磷酸羧激酶（PEPC）催化下，固定HCO3-（CO2溶解于水），生成草酰乙酸（OAA）。
2）轉變：葉肉細胞的葉綠體中的草酰乙酸經過NADP-蘋果酸脫氫酶作用，被還原為蘋果酸。但是也有一些品種，細胞質中的草酰乙酸與谷氨酸在天冬氨酸轉氨酶作用下，形成天冬氨酸和酮戊二酸。上述蘋果酸和天冬氨酸等C4酸形成后，就轉移到維管束鞘細胞中。
3）脫羧與還原：四碳雙羧酸在維管束鞘中脫羧后變成丙酮酸或丙氨酸。釋放的CO2通過卡爾文循環被還原為糖類。
4）再生：C4酸脫羧形成的C3酸（丙酮酸或丙氨酸）在運回葉肉細胞，在葉綠體中，經丙酮酸磷酸雙激酶（PPDK）催化和ATP作用，生成CO2受體PEP，是反應循環進行。
3.景天科酸代謝途徑（CAM）
景天科植物如景天、落地生根等葉子具有特殊的CO2固定方式。夜晚氣孔開放，吸進CO2，在PEP羧基酶作用下，與PEP結合，形成OAA，進一步還原為蘋果酸，積累于液泡中。白天氣孔關閉，液泡中的蘋果酸便運到胞質溶膠，在NADP-蘋果酸酶作用下，氧化脫羧，放出CO2，參與卡爾文循環，形成淀粉等。此外，丙糖磷酸通過糖酵解過程，形成PEP，再進一步循環。所以植物體在夜晚的有機酸含量十分高，而糖類含量下降；白天則相反，有機酸下降，而糖分增多。這種幼根機酸合成日變化的代謝類型，而最早發現于景天科植物，所以稱為景天酸代謝。