녹색식물의 세포에 들어 있는 엽록체가 광합성이 일어나는 장소이다.

 엽록체는 5~10μm의 크기를 가지는 타원형의 기관인데, 엽록체 안에는 틸라코이드라고 하는 납작한 주머니들이 들어 있으며 그 주변은 스트로마라고 하는 액체로 채워져 있다. 

광합성은 크게 명반응과 암반응이라는 두 단계로 나뉘는데, 명반응은 빛이 있어야 진행되는 반응이며 암반응은 빛이 없어도 진행되는 반응을 말한다.

명반응이 일어난 후 암반응이 진행되는데, 명반응은 틸라코이드의 막에서 일어나고 암반응은 스트로마에서 일어난다.

틸라코이드의 막에는 엽록소와 전자전달계가 있어 명반응이 일어난다. 

명반응은 다시 물의 광분해와 광인산화반응의 두 단계로 나눌 수 있다. 물의 광분해과정은 엽록소에 흡수된 빛에너지에 의해 물(H₂O)이 분해되는 것으로, 전자(e^-)와 수소이온(H⁺), 그리고 산소(O₂)를 만들어낸다. 

광인산화과정은 엽록소가 흡수한 빛에너지를 화학에너지로 전환시켜 ATP를 만들어내는 과정이다. 빛에너지가 엽록소에 흡수되면 엽록소가 흥분하여 전자를 방출하는데, 이 전자가 전자전달계를 거치면서 ATP를 만들어낸다.

또 광인산화 과정에서 NADPH₂도 함께 만들어지는 데 이들은 암반응에 쓰인다.


암반응
엽록체의 스트로마에서 일어나는 암반응은 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH₂를 이용해 이산화탄소(CO₂)로부터 포도당과 같은 탄수화물을 합성하는 과정이다. 암반응에는 무수히 많은 효소가 관여하고 있기 때문에 온도의 영향을 받는다. 

암반응의 전체적인 반응식은 다음과 같다.

6CO₂ + 12NADPH₂ -> 12NADP + 6H₂O + C₆H₁₂O₆

그리고 이 반응이 진행되는 데에 필요한 에너지는 ATP에 의해 얻어지는데, 총 18개 분자의 ATP가 사용되어 18개 분자의 ADP로 바뀌게 된다.