Die energie vir die fotosintese proses is uiteindelik afkomstig vanaf die geabsorbeerde fotone en behels 'n reduseermiddel, water in die geval van plante met suurstof wat as afvalproduk uitgeskei word. Die ligenergie word omgeskakel na chemiese energie in die vorm van ATP en NADPH deur gebruik te maak van die lig-afhanklike reaksies waar dit dan beskikbaar gemaak word vir die vaslegging van koolstof. Die bekendste reaksies gebruik die chemiese energie om koolstofdioksied in koolhidrate en ander organiese verbindings vas te lê deur lig-afhanklike reaksies. Die oorhoofse chemiese vergelyking vir fotosintese in groen plante is:
Plante gebruik hoofsaaklik die pigment chlorofil om ligenergie vas te lê, wat dan ook die hoofrede is waarom die meeste plante 'n groen kleur het. Die werking van chlorofil word ondersteun deur ander bykomende pigmente soos karotenoïede en xantofille. Beide chlorofil en bykomende pigmente is geleë in organelle (kompartemente in die sel) wat chloroplaste genoem word. Alhoewel alle selle in die groen dele van plante chloroplaste bevat word die meeste energie in die blare omgeskakel. Die sel in die binneste weefsels van 'n blaar, wat 'n mesofiel genoem word, bevat ongeveer 'n halfmiljoen chloroplaste vir elke vierkante millimeter van 'n blaaroppervlak. Die oppervlak van 'n blaar word eenvormig bedek met 'n waterbestande wasagtige kutikula wat die blaar teen oormatige verdamping van water beskerm en ook die absorpsie van ultraviolet of blou lig verhinder om oorverhitting teen te werk. Die deursigtige kleurlose epidermis laat lig deur die palisade mesofilselle waar die meeste fotosintese dan plaasvind.
Fotosintetiese bakterieë bevat nie chloroplaste nie. In plaas daarvan vind fotosintese direk aan die binnekant van die sel plaas. Die sianobakterieë bevat chlorofil en suurstof op dieselfde wyse as chloroplaste en daar word gereken dat chloroplaste waarskynlik ontstaan het vanuit die sianobakterieë deur endosimbiose. Die ander fotosintetiese bakterieë bevat 'n verskeidenheid pigmente, wat bakteriochlorofil genoem word en vervaardig nie suurstof nie.
In plante vind die lig-afhanklike reaksies in die tikaloïedmembrane van die chloroplaste plaas en word die ligenergie gebruik om ATP en NADPH te sintetiseer. Die fotone word vasgevang in die antennakomplekse van fotosisteem I en II deur chlorofil en bykomstige pigmente (sien diagram regs). Wanneer 'n chlorofil a molekule by 'n fotosisteem se reaksiepunt, energie absorbeer word 'n elektron opgewek en oorgedra na 'n ander elektronontvanger-molekule deur middel van 'n proses wat fotogeïnduseerde ladingskeiding genoem word. Hierdie elektrone word vervoer deur 'n elektronoordragketting wat eerstens 'n chemiese osmotiese potensiaal oor die membraan daarstel, die sogenaamde “Z-Skema” wat in die diagram aangetoon word. 'n ATP sintase ensiem gebruik hierdie chemiese osmotiese potensiaal om die ATP te maak tydens die fotofosforilasie terwyl NADPH 'n produk is van die terminale redoksreaksie in die Z-skema.
Die NADPH is die hoof reduseermiddel in chloroplaste, wat 'n bron van energieke elektrone aan ander reaksies verskaf. Die vervaardiging daarvan laat chlorofil met 'n tekort aan elektrone (geoksideer), wat dan weer deur 'n ander reduseermiddel vervang moet word. Die opgewekte elektrone wat vanaf die chlorofil verlore gaan in fotosisteem I word vervang vanaf die elektronvervoerketting deur plastosianien. Aangesien fotosisteem II die eerste stappe van die Z-skema insluit, word 'n eksterne bron van elektrone benodig om die geoksideerde chlorofil a molekules te reduseer. Hierdie rol word deur water vervul tydens 'n reaksie wat bekend staan as fotolise en het die splitsing van water tot gevolg om elektrone, suurstof en waterstofione te lewer. Fotosisteem II is die enigste bekende biologiese ensiem wat hierdie oksidasie van water bewerkstellig. Aanvanklik dra die waterstofione vanaf die fotolise by tot die chemiese osmotiese potensiaal maar uiteindelik bind hulle aan die waterstofdraermolekule NADP+ om NADPH te vorm. Suurstof is 'n afvalproduk van fotosintese maar speel 'n belangrike rol in die selrespirasie van die oorgrote meerderheid lewende organismes.
Plant- en algselle gebruik ook suurstof vir selrespirasie, maar lewer egter 'n netto oormaat suurstof aangesien hulle meer vervaardig as wat hulle gebruik.
Suurstof is 'n produk van die fotolise reaksie en nie van die vaslegging van koolstofdioksied tydens lig-afhanklike reaksies nie. Gevolglik is die bron van die suurstof tydens fotosintese water en NIE koolstofdioksied nie.
Die begrip dat suurstofproduksie nie direk met die vaslegging van koolstofdioksied verband hou nie is eerste deur Cornelis Bernadus van Neil, wat fotosintetiese bakterieë bestudeer het, in die 1930's voorgestel. Behalwe vir die sianobakterieë het bakterieë net een fotosisteem en gebruik ander reduseermiddels as water. Hulle kry hulle elektrone vanaf 'n verskeidenheid anorganiese chemikalieë wat sulfiede of waterstof insluit, dus word suurstof nie by die meerherheid fotosintetiese bakterieë vervaardig nie.
Ander, soos die halofiele ('n Archeae) produseer sogenaamde pers membrane waar die bakteriorodopsien die lig kan versamel en energie kan omskakel. Die persmembrane was een van die eerste wat gebruik is om die chemiese osmotiese teorie te demonstreer: lig tref die membrane en die pH van die oplossing wat die pers membrane bevat het, het geval soos die protone deur die membraan uitgeskei is.
Al word sommige van die stappe in fotosintese steeds nie volkome verstaan nie, is die oorhoofse chemiese vergelyking van fotosintese al sedert die 1800's bekend. Jan van Helmont het navorsing oor die proses in die middel 1600's begin doen toe hy versigtige metings gedoen het oor die massa van die grond wat deur 'n plant gebruik word en die massa van die plant self soos dit gegroei het. Nadat hy opgemerk het dat die grondmassa baie min verander het, het hy die hipotese voorgestel dat die massa van die groeiende plant vanaf die water moes kom, die enigste stof wat tot die plant in die pot toegevoeg is. Dit was 'n gedeeltelik akkurate hipotese – baie van die massa wat bygekom het kom vanaf die koolstofdioksied asook die water. Hierdie navorsing was egter 'n keerpunt en hierdeur is die idee gevestig dat die meeste van die plant se biomassa afkomstig was vanuit die insette van fotosintese en nie die grond alleen nie.
Joseph Priestly, 'n chemikus en prediker, het ontdek dat wanneer hy 'n hoeveelheid lug onder 'n omgekeerde fles vasgevang het en 'n kers daarin gebrand het, dat die kers vinnig sou uitbrand, lank voordat die kerswas verbruik was. Hy het ook ontdek dat 'n muis die lug op soortgelyke wyse kon "beskadig". Hy het toe getoon dat die lug wat sodoende deur 'n muis of 'n kers "beskadig" is, weer deur 'n plant herstel kon word.
In 1778 het Jan Ingenhousz, 'n dokter verbonde aan die hof van die Oostenrykse Keiserin, Priestly se eksperimente herhaal. Hy het ontdek dat dit die invloed van die son en lig op die plant was wat veroorsaak het dat 'n muis onder die omstandighede gered kon word.
Cornelius van Niel het deurslaggewende ontdekkings gemaak wat die chemie van fotosintese verder toegelig het. Deur die pers swaelbakterieë en groenbakterieë te bestudeer was hy die eerste wetenskaplike om te toon dat fotosintese 'n lig-afhanklike redoksreaksie was waarin waterstof koolstofdioksied reduseer.
'n Nobelpryswenner, Rudolph A. Marcus, het die belangrikheid en funksie van die elektronvervoerketting ontdek.
Eksperimente het in die verlede aangetoon dat die totale energie wat deur fotosintese geproduseer word 112 kcal/mol is. Die vrye energie van die lig was egter 120 kcal/mol. 'n Totale verlies van 8 kcal/mol kon toegeskryf word aan die entropieverandering soos beskryf deur die Gibbs vergelyking. Met ander woorde aangesien die bruikbare energie van die stelsel direk verwant is aan die entropie en temperatuur van die stelsel, is die beskikbare hoeveelheid termiese energie vir omskakeling na bruikbare energievorme (wat meganiese en chemiese energie insluit) kleiner. Die begrip hou verband met die tweede wet van termodinamika in die sin dat 'n toename in entropie noodwendig met die omskakeling van ligenergie na die chemiese energie in die plant gepaard moet gaan.
In die vroeë 1900's het F.F. Blackman die impak van lig intensiteit (stralingsdighteid) en temperatuur op die snelheid van die fotosintese reaksie bestudeer. By konstante temperature neem die reaksie aanvanklik toe soos die stralingsdigtheid toeneem. By hoër stralingsdigthede bereik die snelheid van fotosintese egter 'n plato. Die effek van temperatuur op die snelheid van fotosintese teen 'n konstante stralingsdigtheid word deur die beeld hier links geïllustreer. Teen hoë stralingsdigtheid neem die snelheid oor 'n beperkte gebied toe met 'n styging in die temperatuur. By lae stralingsdigthede het 'n styging in die temperatuur min invloed op die snelheid van die fotosintese reaksie. Hierdie twee eksperimente illustreer belangrike punte: eerstens, is dit uit navorsing bekend dat fotochemiese reaksies oor die algemeen nie deur temperatuur beïnvloed word nie. Hierdie eksperimente toon egter duidelik dat temperatuur wel die snelheid van fotosintese beïnvloed, wat beteken dat totale reaksie uit twee verskillende reaksiestappe bestaan naamlik die lig-afhanklike 'fotochemiese' reaksiestap en die lig-onafhanklike, temperatuur-afhanklike stap. Tweedens het Blackman se eksperimente die begrip van beperkende faktore geïllustreer. 'n Beperkende faktor is die golflengte van lig. Sianobakterieë wat etlike meters onder die water woon kan nie die golflengtes ontvang wat nodig is om fotogeïnduseerde ladingskeidings soos in konvensionele fotosintetiese reaksies te veroorsaak nie. Om hierdie probleem te oorkom het hulle 'n reeks proteïene met verskillende fluoreserende pigmente rondom die reaksiepunte. Hierdie eenheid word 'n fikobilisoom genoem.
Soos koolstofdioksiedkonsentrasies styg, styg die tempo waarteen suikers deur die lig-onafhanklike reaksies gemaak word totdat ander beperkende faktore intree. Een rede hiervoor is dat RuBisCO, die ensiem wat koolstofdioksied vaslê tydens die lig-afhanklike reaksies, 'n bindingsaffiniteit het vir beide koolstofdioksied en suurstof. Dus sal 'n toename in die koolstofdioksiedkonsentrasie die waarskynlikheid verhoog dat RuBisCO die koolstofdioksied sal vaslê eerder as die suurstof.
Die herwinnigsproses vir die produkte van RuBisCO oksigenase aktiwiteit staan meer algemeen bekend as fotorespirasie aangesien dit gekenmerk word deur lig-afhanklike suurstof verbruik en die vrystelling van koolstofdioksied.