Jest procesem, w którym dzięki przetworzeniu energii świetlnej w energię chemiczną odbywa się synteza związków organicznych z prostych związków nieorganicznych. Zachodzi w chloroplastach u roślin zielonych i glonów oraz w tylakoidach u sinic i bakterii purpurowych. Wyróżnia się fotosyntezę oksygeniczną, zachodzącą z wykorzystaniem wody i wydzieleniem tlenu, oraz fotosyntezę anoksygeniczną, która przebiega bez uwalniania tlenu, a dawcą wodoru są inne zredukowane związki (np. H2S). Ogólny bilans fotosyntezy oksygenicznej można przedstawić równaniem:
W przypadku fotosyntezy anoksygenicznej (np. u bakterii purpurowych), gdy zredukowanym związkiem nieorganicznym jest H2S, ogólne równanie ma postać:
Światło absorbowane jest przez barwniki fotosyntetyczne, wśród których największą rolę odgrywa chlorofil, absorbujący najintensywniej światło w zakresie czerwieni oraz w części niebiesko-fioletowej widma. Występuje w kilku odmianach, różniących się nieznacznie budową (a, b, c, d), czego wynikiem są niewielkie różnice w długościach pochłanianych fal. W jego skomplikowanej budowie (porfiryna z połączonym wiązaniami koordynacyjnymi atomem Mg oraz długim węglowodorowym łańcuchem alkoholu – fitolu) istotną rolę w absorpcji światła odgrywają sprzężone wiązania podwójne. Dodatkowymi barwnikami fotosyntetycznymi są karoteny i ksantofile (wielonienasycone węglowodory oraz ich hydroksywne pochodne), które ponadto chronią chlorofil przed jego utlenieniem. U bakterii występuje tzw. bakteriochlorofil, a u wielu glonów także fikoerytryna, fikocyjanina, fukoksantyna, wspomagające chlorofil w absorpcji światła podwodą. Cechą tych barwników asymilacyjnych jest obecność sprzężonych wiązań podwójnych.
Fotosynteza składa się z dwóch faz: jasnej i ciemnej.