La fotosíntesis como proceso químico ocurre en dos etapas diferenciadas: la clara y la oscura, llamadas así porque únicamente en la primera interviene la presencia de luz solar (lo cual no significa que la segunda ocurra durante la noche).
Etapa clara o fotoquímica, en la que se dan las reacciones biolumínicas en el interior de la planta. Todo empieza cuando la molécula de clorofila entra en contacto con la radiación solar, y los electrones de sus capas exteriores son excitados, desencadenando una cadena de transporte de electrones (semejante a la electricidad). Con dicha energía y en presencia de agua, se sintetizan entonces dos distintas moléculas: AT (adenosín trifosfato) y NADPH (nicotín adenín dinucleótido fosfato), en un proceso llamado fotofosforilación, y que puede ser acíclica (oxigénica) o cíclica (anoxigénica).
Etapa oscura o sintética, esta fase tiene lugar en la matriz o estoma de los cloroplastos, aprovechando las moléculas generadas durante la fase previa, para sintetizar sustancias orgánicas a través de un circuito de reacciones químicas conocido como el Ciclo de Calvin-Benson. Mediante diferentes enzimas y aprovechando el dióxido de carbono, así como distintos nitratos o fosfatos, pueden sintetizarse distintos compuestos de carbono, compuestos de nitrógeno o compuestos de azufre, necesarios para la manutención y el crecimiento del organismo autótrofo.
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