光合作用的过程是一个比较复杂的问题，从表面上看，光合作用的总反应式似乎是一个简单的氧化还原过程，但实质上包括一系列的光化学步骤和物质转变问题。根据现代的资料，整个光合作用大致可分为下列3大步骤：1原初反应，包括光能的吸收、传递和转换；2电子传递和光合磷酸化，形成活跃化学能（ATP和NADPH）；3碳同化，把活跃的化学能转变为稳定的化学能（固定CO₂，形成糖类）。 在介绍光合作用反应过程前，对光合作用过程中涉及的光合色素及光系统进行一定的了解是必要的。

1. 光合色素

叶绿体由双层膜、类囊体和基质三部分组成。类囊体是单层膜同成的扁平小囊，沿叶绿体的长轴平行排列。膜上含有光合色素和电子传递链组分，光能向化学能的转化是在类囊体上进行的。类囊体膜上的色素有两类：叶绿素和橙黄色的类胡萝卜素，通常叶绿素和类胡萝卜素的比例约为3 : 1，而叶绿素a（chl a）与叶绿素b（chl b）的比例也约为3 : 1。根据功能区分，叶绿体类囊体膜上的色素又可分为两种：一种是作用中心色素，少数特殊状态的叶绿素a分子属于此类；而另一种则是聚光色素，绝大多数色素（包括大部分叶绿素a和全部叶绿素b胡萝卜素、叶黄素）属于聚光色素。 其中，聚光色素（light-harvesting pigment）没有光化学活性，只有收集光能的作用，像漏斗一样把光能聚集起来，传到反应中心色素，完成光化学反应。

2. 光合作用中心

光合作用中心，也称反应中心，是进行原初反应的最基本的色素蛋白结构。其至少包括一个光能转换色素分子（P）、一个原初电子受体（A）和一个原初电子供体（D），才能导致电荷分离，将光能转换为电能，并且累积起来。光合作用中心可以认为是光能转换的基本单位。

3. 光系统

光合作用的光化学反应是由两个包括光合色素在内的光系统完成的，即光系统Ⅰ（简称PSⅠ）和光系统Ⅱ（简称PSⅡ）。每个光系统均具有特殊的色素复合体等物质。