Kloroplastene har et dobbelt membransystem rundt et væskefylt rom, stroma. I stroma ligger det stabler av blæreformete sekker som kalles grana, eller granum i entall. En sekk (thylakoid) består av væske som er pakket inn i en membran. Denne membranen kalles thylakoidemembranen eller fotosyntesemembranen (se figur). Pigmentene i thylakoidemembranen absorberer lys og omdanner det til kjemisk bundet energi i molekylene ATP og NADPH. Det viktigste pigmentet er . Det finnes flere ulike klorofyllmolekyler, og hvilken type som finnes i thylakoidemembranen er avhengig av organismegruppe. Grønne planter har karotenoider i tillegg til klorofyll i thylakoidemembranen, noe som gjør at plantene kan absorbere flere av bølgelengdene (fargene) i lysspekteret.