1782年，瑞士人珍妮·瑟讷比埃（Jean Senebier）用化学方法发现：CO2是光合作用必需物质，O2是光合作用产物。

1804年，瑞士人尼古拉-提奥多·德·索绪尔（Nicolas-Théodore de Saussure）通过定量实验证明：植物所产生的有机物和所放出的总量比消耗的CO2多，进而证实光合作用还有水参与反应。

1864年，J. V. Sachs发现照光叶片遇碘会变蓝，证明光合作用形成碳水化合物（淀粉）。

19世纪末，证明光合作用的原料是空气中的CO2和土壤中的H2O，能源是太阳辐射能，产物是糖和O2。

20世纪初，光合作用的分子机理有了突破性进展，里程碑式的工作主要是：Wilstatter等（1915年）由于提纯叶绿素并阐明其化学结构获得诺贝尔奖。

随后，英国的Blackman和德国的O. Warburg等人用藻类进行闪光试验证明：光合作用可以分为需光的光反应（light reaction）和不需光的暗反应（dark reaction）两个阶段。

1932年，R. Emersen和W. Arnold通过小球藻（chlorella）悬浮液做闪光试验定义了“光合单位”（photosynthetic unit），即释放1分子或同化1分子CO2所需的2500个叶绿素的分子数目。随后在1986年，Hall等人指出：光合单位应是包括两个反应中心的约600个叶绿素分子（300×2）以及连结这两个反应中心的光合电子传递链。而多数人赞同霍尔的看法，即：所谓的“光合单位”，就是指存在于类囊体膜上能进行完整光反应的最小结构单位。

1940年代～1950年代末，梅尔文·卡尔文（Melvin Ellis Calvin）等用碳14研究光合碳同化，阐明了CO2转化为有机物的生化途径。卡尔文于1961年获得诺贝尔奖。之后相继确定了CAM途径（M. Thomas，1960年）和C4途径（M. D. Hatch和C. B. Slack，1966年）。

1954年，美国科学家D. I. Arnon等在给叶绿体照光时发现，当向体系中供给无机磷、ADP和NADP+时，体系中就会有ATP和NADPH产生。同时，只要供给ATP和NADPH，即使在黑暗中，叶绿体也可将CO2转变为糖。因此，得出结论：光反应的实质在于产生“同化力”（assimilatory power）去推动暗反应的进行，而暗反应的实质在于利用“同化力”将无机碳（CO2）转化为有机碳（CH2O）。

1957年，Emerson观察到小球藻在用远红光照射时补加了一点稍短波长的光（如650 nm的光），则量子产额比这两种波长的光单独照射的总和还要高。这种在长波红光之外再加上较短波长的光促进光合效率的现象被称为双光增益效应，或叫爱默生增益效应（Emerson enhancement effect）。后来才知道，这是因为光合作用需要两个光化学反应的协同作用。

1960年，Hill等人提出了双光系统（two photosystem）的概念，把吸收长波光的系统称为光系统Ⅰ（photosystemⅠ，PSⅠ），吸收短波长光的系统称为光系统Ⅱ（photosystemⅡ，PSⅡ），推动了PSⅠ和PS的分离、纯化等生物化学与分子生物学的研究。

1965年，罗伯特·伯恩斯·伍德沃德（Robert Burns Woodward）因全合成叶绿素分子等工作获得了诺贝尔化学奖。

1980年代初，P. Mitchell提出化学渗透假说。Jagendorf等用叶绿体进行光合磷酸化分阶段研究，证明光合磷酸化的高能态就是化学渗透假说中的跨膜质子梯度。这不仅使人们了解光合作用中能量转换机制，并且导致将质子动力势与离子运转、类囊体结构动态变化和能量转换反应调控过程联系起来研究。

1980年代末期，约翰·戴森霍费尔（Johann Deisenhofer）等人测定了光合细菌反应中心结构，取得了解膜蛋白复合体细节及光合原初反应研究的突出进展，获得了1988年的诺贝尔化学奖。

1992年，鲁道夫·马库斯（Rudolph A.Marcus）因研究包括光合作用电子传递在内的生命体系的电子传递理论而获得诺贝尔奖。

1990年代末，催化光合作用的光合磷酸化和呼吸作用的氧化磷酸化的酶的动态结构与反应机理研究获得了重大进展。约翰·沃克（John E. Walker）和保罗·波耶尔（Paul D. Boyer）获得了1997年的诺贝尔化学奖。

2010年8月19日，澳大利亚悉尼大学陈敏（Min Chen）博士等人在西澳大利亚鲨鱼湾的“层叠石”（strmoatolite）中发现了第五种叶绿素——叶绿素f，一种比其它类型的叶绿素要更红得多的吸收光谱，延伸到近红外的范围内，吸收峰主要在722nm。

2018年6月15日，英国帝国理工学院的Andrea Fantuzzi和A. William Rutherford课题组发现蓝藻（Chroococcidiopsis thermalis）在有可见光的情况下，会正常利用“叶绿素a”进行光合作用，但如果处在阴暗环境中，缺少可见光，就会转为利用“叶绿素f”，使用近红光进行光合作用。这种光合作用能利用更低能量的红外光进行光合反应，超越了光合作用“红光极限”，这代表着自然界中广泛存在的第三类光合作用。

2020年7月13日，阿姆斯特丹自由大学Roberta Croce课题组的研究表明叶绿素f插入会减慢两个光系统中的整体能量捕获，特别是大大降低了光系统II的效率。然而，尽管能量输出较低，但在富含远红光的环境中，在光系统中插入红移的叶绿素f仍然是有利的。

中国的光合作用研究自20世纪50年代开始，取得了长足的进展。如中国科学院上海植物生理研究所在光合作用能量转换、光合碳代谢的酶学研究等方面，中国科学院植物研究所在光合作用的原初反应和光合色素蛋白复合体研究等方面都有所发现和创新。

2021年11月，中国科学院广州地球化学研究所联合香港大学李一良教授提出太古代的氧化驱动力来源于地表广泛存在的矿物-水界面反应。这种产氧途径不仅支持早期微生物在氧化环境中适应进化和矿化合成，甚至可以逐渐驱动地球表层系统的氧化演进。

2023年5月，海南大学热带作物学院教授万迎朗及其团队在海南东寨港国家级自然保护区红树林和文昌市云龙湾珊瑚礁中，发现白边侧足海天牛和绒毛海天牛2个新记录物种。此这是在中国大陆首次正式记录的能依靠光合作用提供“食物”的软体动物。

2024年2月，据日本冈山大学官网消息，日本冈山大学沈建仁教授等人成功捕捉到了负责植物光合作用的蛋白质中存在的催化剂吸收水分子的瞬间。

尽管光合作用研究历史不算长，但经过众多科研工作者的努力探索，已取得了举世瞩目的进展，为指导农业生产提供了充分的理论依据。

植物在同化无机碳化物的同时，把太阳能转变为化学能，储存在所形成的有机化合物中。每年光合作用所同化的太阳能约为人类所需能量的10倍。有机物中所存储的化学能，除了供植物本身和全部异养生物之用外，更重要的是可供人类营养和活动的能量来源。因此可以说，光合作用提供今天的主要能源。绿色植物是一个巨型的能量转换站。

植物通过光合作用制造有机物的规模是非常巨大的。据估计，植物每年可吸收CO2约7×1011吨，合成约5000亿吨的有机物。地球上的自养植物同化的碳素，40%是由浮游植物同化的，余下60%是由陆生植物同化的。人类所需的粮食、油料、纤维、木材、糖、水果等，无不来自光合作用，没有光合作用，人类就没有食物和各种生活用品。换句话说，没有光合作用就没有人类的生存和发展。

大气之所以能经常保持21%的氧含量，主要依赖于光合作用（光合作用过程中放氧量约）。光合作用一方面为有氧呼吸提供了条件，另一方面，氧气的积累，逐渐形成了大气表层的臭氧（O3）层。臭氧层能吸收太阳光中对生物体有害的强烈的紫外辐射。植物的光合作用虽然能清除大气中大量的CO2，但大气中CO2的浓度仍然在增加，这主要是由城市化及工业化所致。

光反应阶段的特征是在光驱动下水分子氧化释放的电子通过类似于线粒体呼吸电子传递链那样的电子传递系统传递给NADP+，使它还原为NADPH。电子传递的另一结果是基质中质子被泵送到类囊体腔中，形成的跨膜质子梯度驱动ADP磷酸化生成ATP。

反应式：

暗反应阶段是利用光反应生成NADPH和ATP进行碳的同化作用，使气体二氧化碳还原为糖。由于这阶段基本上不直接依赖于光，而只是依赖于NADPH和ATP的提供，故称为暗反应阶段。

反应式：

总反应式： ；其中， 表示糖类。

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）。在介绍光合作用的反应过程前，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。

光合作用的第一幕是原初反应（primary reaction）。它是指光合作用中从叶绿素分子受光激发到引起第一个光化学反应为止的过程，其中包含色素分子对光能的吸收、传递和转换的过程。两个光系统（PSⅠ和PSⅡ）均参加原初反应。

当波长范围为400 ~ 700 nm的可见光照射到绿色植物时，聚光色素系统的色素分子吸收光量子后，变成激发态。由于类囊体片层上的色素分子排列得很紧密（10 ~ 50 nm），光量子在色素分子之间以诱导共振方式进行快速传递。此外，能量即可以在相同色素分子之间传递，也可以在不同色素分子之间传递。因此能量传递效率很高。这样，聚光色素就像透镜把光束集中到焦点一样把大量的光能吸收、聚集，并迅速传递到反应中心色素分子。

光化学反应（photochemical reaction），是光合作用的核心环节，能将光能直接转变为化学能。当特殊叶绿素a对（P）被光激发后成为激发态P*，放出电子给原初电子受体（A）。叶绿素a被氧化成带正电荷（P+）的氧化态，而受体被还原成带负电荷的还原态（A-）。氧化态的叶绿素（P+）在失去电子后又可从次级电子供体（D）得到电子而恢复电子的还原态。这样不断地氧化还原，原初电子受体将高能电子释放进入电子传递链，直至最终电子受体。同样，氧化态的电子供体（D+）也要想前面的供体夺取电子，一次直到最终的电子供体水。

以上便是光反应的整个过程，其中光反应中心的光化学反应如下：

所有能进行放氧光合作用生物都具有PSⅠ和PSⅡ两个光系统。光系统Ⅰ（PSⅠ）能被波长700 nm的光激发，又称P700；光系统Ⅱ（PSⅡ）吸收高峰为波长680 nm处，又称P680。PSⅠ和PSⅡ通过电子传递链连接，并高度有序地排列在类囊体膜上，承担着电子传递和质子传递任务。

PSⅡ主要由PSⅡ反应中心（PSⅡ，reaction center）、捕光复合体Ⅱ（light harvesting complexⅡ，LHCⅡ）和放氧复合体（oxygen-evolving complex，OEC）等亚单位组成。其功能是利用光能氧化水和还原质体醌，这两个反应分别在类囊体膜的两侧进行，即在腔一侧氧化水释放质子于腔内，在基质一侧还原质体醌，于是在类囊体两侧建立质子梯度。

细胞色素b6f复合体（cytochrome b6f complex，Cyt b6f）是一个带有几个辅基的大而多亚基的蛋白，Cyt b6f复合体包含有2个Cyt b，1个Cyt c（以前称为Cyt f），1个Rieske Fe-S蛋白（RFe-S），2个醌氧化还原部位。Cyt b6f的主要生理功能是：把PQH2（还原态质子醌）中的电子传给质体蓝素（plastocyanin，PC），同时将氢质子释放到类囊体的腔。由于PQH2的氢质子来源于叶绿体基质，所以这一过程实际是将进行跨膜转运，建成跨膜质子梯度，成为合成ATP的原动力。Cytb6f复合体的电子传递路线是：PQH2将电子转到Cytb6f后，通过醌循环，把电子再传给质体蓝素，再传给PSⅠ的P700。

PSⅠ复合体颗粒较小，直径为11 nm，仅存在于基质片层和基粒片层的非堆叠区。PSⅠ核心复合体由反应中心色素P700电子受体和PSⅠ捕光复合体（LHCⅠ）组成。PSⅠ的功能是将电子从质体蓝素传递给铁氧还蛋白。PSⅠ参与的电子传递路线是：核心复合体周围的LHCⅠ吸收光能，通过诱导共振传递到P700，然后按顺序将电子传给原初电子受体A0（Chla）次级电子受体A1（可能是叶醌，即vit K1），再通过铁硫中心（Fe-S），最后交给铁氧还蛋白（ferredoxin，Fd）。

1.非循环电子传递链

非循环电子传递链从光系统Ⅱ出发，会裂解水，释出氧气，生产ATP与NADPH。非循环电子传递链过程大致如下：

光系统Ⅱ→初级接受者→质体醌→细胞色素复合体→质体蓝素→光系统Ⅰ→初级接受者→铁氧化还原蛋白→还原酶

2.循环电子传递链

循环电子传递链不会产生氧气，因为电子来源并非裂解水。电子从光系统Ⅰ出发，最后会生产出ATP。循环电子传递链的过程如下：

光系统Ⅰ→初级接受者→铁氧化还原蛋白→细胞色素复合体→质粒蓝素→光系统Ⅰ

光合磷酸化（photosynthetic phosphorylation或photophosphorylation）是指在光合作用中由光驱动并贮存在跨类囊体膜的质子梯度的能量把和磷酸合成为的过程。光合磷酸化有两个类型：非循环光合磷酸化和循环光合磷酸化。

1.非循环光合磷酸化

非循环光合磷酸化是指向叶绿体悬浮液中加入NADP+，ADP，Pi等时，在光下同时发生NADP+的还原，ADP的磷酸化和氧的释放。非循环光合磷酸化中，磷酸化是伴随着光能引起的一系列电子传递过程而产生的，伴随有磷酸化时，强光下的电子传递速度则加快。这和呼吸中氧化磷酸化和电子传递的关系很相似。所以，一般皆认为，光合磷酸化和氧化磷酸化一样，是同电子传递偶联着的。循环光合磷酸化虽然表面上不产生氧化还原反应，但是根据它可由许多外加的电子传递体所促进等情况来推测，也是同电子传递过程偶联着的。不过电子传递是在一系列的电子传递体中间循环运转，不导致氧化和还原产物的积累。

2.循环光合磷酸化

PSⅠ产生的电子经过一些传递体传递后，伴随形成腔内外H浓度差，只引起的形成，而不放，也无还原反应：在这个过程中，电子经过一系列传递后降低了能位，最后经过质体蓝素重新回到原来的起点，也就是电子的传递是一个闭合的回路，故称为循环光合磷酸化（cyclic photophosphorylation）。循环光合磷酸化在基质片层内进行，在高等植物中可能起着补充不足的作用。

CO2同化（CO2assimilation）是光合作用过程中的一个重要方面。碳同化是通过和所推动的一系列CO2同化过程，把CO2变成糖类等有机物质。高等植物固定CO2的生化途径有3条：卡尔文循环、C4途径和景天酸代谢途径。其中以卡尔文循环为最基本的途径，同时，也只有这条途径才具备合成淀粉等产物的能力；其他两条途径不普遍（特别是景天酸代谢途径），而且只能起固定、运转CO2的作用，不能形成淀粉等产物。

1. 卡尔文循环 — C3途径

卡尔文循环是所有植物光合作用碳同化的基本途径，大致可分为3个阶段，即羧化阶段、还原阶段和更新阶段。

1）羧化阶段：CO2必须经过羧化阶段，固定成羧酸，然后被还原。核酮糖- 1，5 -二磷酸（RuBP）是CO2的接受体，在核酮糖- 1，5 -二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）作用下，和CO2形成中间产物，后者再与1分子H2O反应，形成2分子的甘油酸- 3 -磷酸（PGA），这就是CO2羧化阶段。

2）还原阶段：甘油酸- 3 -磷酸被ATP磷酸化，在甘油酸- 3 -磷酸激酶催化下，形成甘油酸- 1，3 -二磷酸（DPGA），然后在甘油醛- 3 -磷酸脱氢酶作用下被NADPH + H+还原，形成甘油醛- 3磷酸（PGAld）。

3）更新阶段：更新阶段是PGAld经过一系列的转变，再形成RuBP的过程，也就是RuBP的再生阶段。

2. C4途径

在前人研究的基础上，Hatch和Slack（1966年）发现甘蔗和玉米等的CO2固定最初的稳定产物是四碳二羧酸化合物（苹果酸和天冬氨酸），故称为四碳二羧酸途径（C4 - dicarboxylicacidpathway），简称C4途径，亦称为Hatch-Slack途径。具有这种碳同化途径的植物称为C4植物（C4plant）。C4途径包括羧化、转变、脱羧与还原、再生四个步骤。

1）羧化：C4途径的CO2受体是叶肉细胞质中的PEP（磷酸烯醇式丙酮酸），在烯醇丙酮磷酸羧激酶（PEPC）催化下，固定HCO3-（CO2溶解于水），生成草酰乙酸（OAA）。

2）转变：叶肉细胞的叶绿体中的草酰乙酸经过NADP-苹果酸脱氢酶作用，被还原为苹果酸。但是也有一些品种，细胞质中的草酰乙酸与谷氨酸在天冬氨酸转氨酶作用下，形成天冬氨酸和酮戊二酸。上述苹果酸和天冬氨酸等C4酸形成后，就转移到维管束鞘细胞中。

3）脱羧与还原：四碳双羧酸在维管束鞘中脱羧后变成丙酮酸或丙氨酸。释放的CO2通过卡尔文循环被还原为糖类。

4）再生：C4酸脱羧形成的C3酸（丙酮酸或丙氨酸）在运回叶肉细胞，在叶绿体中，经丙酮酸磷酸双激酶（PPDK）催化和ATP作用，生成CO2受体PEP，是反应循环进行。

3.景天科酸代谢途径（CAM）

景天科植物如景天、落地生根等叶子具有特殊的CO2固定方式。夜晚气孔开放，吸进CO2，在PEP羧基酶作用下，与PEP结合，形成OAA，进一步还原为苹果酸，积累于液泡中。白天气孔关闭，液泡中的苹果酸便运到胞质溶胶，在NADP-苹果酸酶作用下，氧化脱羧，放出CO2，参与卡尔文循环，形成淀粉等。此外，丙糖磷酸通过糖酵解过程，形成PEP，再进一步循环。所以植物体在夜晚的有机酸含量十分高，而糖类含量下降；白天则相反，有机酸下降，而糖分增多。这种幼根机酸合成日变化的代谢类型，而最早发现于景天科植物，所以称为景天酸代谢。

光合速率通常是指单位时间单位叶面积所吸收的二氧化碳或释放的氧气的量，也可用单位时间单位叶面积上的干物质积累量来表示。

1. 不同部位

在一定范围内，叶绿素含量越多，光合越强。以一片叶子为例，最幼嫩的叶片光合速率低，随着叶子成长，光合速率不断加强，达到高峰，随后叶子衰老，光合速率就下降。

2. 不同生育期

株作物不同生育期的光合速率不尽相同，一般都以营养生长期为最强，到生长末期就下降。以水稻为例，分蘖盛期的光合速率较快，在稻穗接近成熟时下降。但从群体来看，群体的光合量不仅决定于单位叶面积的光合速率，而且很大程度上受总叶面积及群体结构的影响。

1. 光照

（1）光强度对光合作用的影响

光合作用是一个光生物化学反应，所以光合速率随着光照强庋的增减而增减。在黑暗时，光合作用停止，而呼吸作用不断释放CO2；随着光照增强，光合速率逐渐增强，逐渐接近呼吸速率，最后光合速率与呼吸速率达到动态平衡相等。同一叶子在同一时间内，光合过程中吸收的CO2与光呼吸和呼吸作用过程中放出的CO2等量时的光照强度，就称为光补偿点（light compensation point）。植物在光补偿点时，有机物的形成和消耗相等，不能积累干物质，而晚间还要消耗干物质，因此从全天来看，植物所需的最低光照强度，必须高于光补偿点，才能使植物正常生长。

（2）光质对光合作用的影响

光质也影响植物的光合效率。在自然条件下，植物会或多或少受到不同波长的光线照射例如，阴天的光照不仅光强弱，而且蓝光和绿光成分增多；树木的叶片吸收红光和蓝光较多，故树冠下的光线富含绿光，尤其是树木繁茂的森林更是明显。

2. 二氧化碳

二氧化碳是光合作用的原料，对光合速率影响很大。其主要是通过气孔进入叶片，加强通风或设法增施二氧化碳能显著提高作物的光合速率，对C3植物尤为明显。此外，植物对CO2的利用与光照强度有关，在弱光情况下，只能利用较低浓度的CO2，光合速率慢，随着光照强度的加强，植物就能吸收利用较高浓度的CO2，光合速率加快。

3. 温度

光合过程中的碳反应是由酶所催化的化学反应，而温度直接影响酶的活性，因此，温度对光合作用的影响也很大。除了少数的例子以外，一般植物可在10 ~ 35℃下正常地进行光合作用，其中以25 ~ 30℃最适宜，在35℃以上时光合作用就开始下降，40 ~ 50℃时即完全停止。在低温中，酶促反应下降，故限制了光合作用的进行。而在高温时，一方面是高温破坏叶绿体和细胞质的结构，并使叶绿体的酶钝化；另一方面，暗呼吸和光呼吸加强，光合速率便降低。

4. 矿质元素

矿质元素直接或间接影响光合作用。氮镁、铁、锰等是叶绿素等生物合成所必需的矿质元素；铜、铁、硫和氯等参与光合电子传递和水裂解过程；钾、磷等参与糖类代谢，缺乏时便影响糖类的转变和运输，这样也就间接影响了光合作用同时，磷也参与光合作用中间产物的转变和能量传递，所以对光合作用影响很大。

5. 水分

水分是光合作用原料之一，而光合作用所需的水分只是植物所吸收水分的一小部分（1%以下），因此，水分缺乏主要是间接地影响光合速率下降。具体来说，缺水使叶片气孔关闭，影响CO2进入叶内；缺水使叶片淀粉水解加强，糖类堆积，光合产物输出缓慢，这些都会使光合速率下降。

通过C3途径固定CO2的植物称为C3植物，它们行光合作用所得的淀粉会贮存在叶肉细胞中，因为这是卡尔文循环的场所。C3类植物属于高光呼吸植物类型，光合速率较低，其种类多，分布广，多生长于暖湿条件，如大多数树木、植物类粮食、烟草等。

通过C4途径固定CO2的植物称为C4植物，它们主要是那些生活在干旱热带地区的植物。在这种环境中，植物若长时间开放气孔吸收二氧化碳，会导致水分通过蒸腾作用过快的流失。所以，植物只能短时间开放气孔，二氧化碳的摄入量必然少。植物必须利用这少量的二氧化碳进行光合作用，合成自身生长所需的物质。

C4类植物的生物学特性与C3类植物有很大差异，它们比C3植物具有更高的水分利用效率和氮素利用效率。在C4植物叶肉细胞中，含有独特的酶，即磷酸烯醇式丙酮酸碳氧化酶，使得二氧化碳先被一种三碳化合物磷酸烯醇式丙酮酸同化，形成四碳化合物草酰乙酸，这也是该暗反应类型名称的由来。这种类型的优点是：二氧化碳固定效率比C3高很多，有利于植物在干旱环境生长。C4植物的淀粉将会贮存于维管束鞘细胞内，因为C4植物的卡尔文循环是在此发生的。C4类植物种类少，分布受限制，适合生长于高温偏干的气候条件，杂草多属C4类植物。

如果说C4植物是空间上错开二氧化碳的固定和卡尔文循环的话，那景天酸代谢（crassulacean acid metabolism，CAM）就是时间上错开这两者。行使这一途径的植物，是那些有着膨大肉质叶子的植物，如凤梨。这些植物晚上开放气孔，吸收二氧化碳，同样经哈奇-斯莱克途径将CO2固定。早上的时候气孔关闭，避免水分流失过快。同时在叶肉细胞中卡尔文循环开始。这些植物二氧化碳的固定效率也很高。

真核藻类，如红藻、绿藻、褐藻等，和高等植物一样具有叶绿体，也能够进行产氧光合作用。光被叶绿素吸收，而很多藻类的叶绿体中还具有其它不同的色素，赋予了它们不同的颜色。

进行光合作用的细菌不具有叶绿体，而直接由细胞本身进行。属于原核生物的蓝藻（或者称“蓝细菌”）同样含有叶绿素，和叶绿体一样进行产氧光合作用。事实上，普遍认为叶绿体是由蓝藻进化而来的。其它光合细菌具有多种多样的色素，称作细菌叶绿素或菌绿素，但不氧化水生成氧气，而以其它物质（如硫化氢、硫或氢气）作为电子供体。不产氧光合细菌包括紫硫细菌、紫非硫细菌、绿硫细菌、绿非硫细菌和太阳杆菌等。

2018年6月，美国《科学》杂志刊登的一项新研究表明，蓝藻可利用近红外光进行光合作用，其机制与之前了解的光合作用不同。这一发现有望为寻找外星生命和改良作物带来新思路。新研究发现，上述蓝藻在有可见光的情况下，会正常利用“ 叶绿素- a ”进行光合作用，但如果处在阴暗环境中，缺少可见光时，就会转为利用“ 叶绿素- f ”，使用近红外光进行光合作用。