لقد غيَّرت عملية التمثيل الضوئي الحياة على الأرض. فمن خلال تسخير الطاقة من الشمس، سمح التمثيل الضوئي للكائنات الحية بالوصول إلى كميات هائلة من الطاقة. وبفضل التمثيل الضوئي، اكتسبت الكائنات الحية طاقة كافية، مما سمح لها بتطوير تراكيب جديدة وتحقيق التنوع الحيوي الواضح اليوم.

فقط بعض الكائنات الحية، التي تسمى ذاتيات التغذية، يمكنها إجراء عملية التمثيل الضوئي؛ فهي تتطلب وجود الكلوروفيل، وهي صبغة متخصصة يمكنها امتصاص الضوء وتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. يستخدم التمثيل الضوئي ثاني أكسيد الكربون والماء لتجميع جزيئات الكربوهيدرات (عادة الجلوكوز) ويطلق الأكسجين في الهواء. تحتوي ذاتيات التغذية حقيقية النواة، مثل النباتات والطحالب، على عضيات تسمى البلاستيدات الخضراء حيث تحدث فيها عملية التمثيل الضوئي.

في الجزء الأول من عملية التمثيل الضوئي، وهو التفاعل المعتمد على الضوء (التفاعلات الضوئية)، تمتص جزيئات الصبغة الطاقة من ضوء الشمس. الصبغة الأكثر شيوعًا ووفرة هي الكلوروفيل أ. يصطدم فوتون بالنظام الضوئي الثاني لبدء عملية التمثيل الضوئي. تنتقل الطاقة عبر سلسلة نقل الإلكترون، التي تضخ أيونات الهيدروجين إلى حيز الثايلاكويد. يشكل هذا تدرجًا كهروكيميائيًا. تتدفق الأيونات عبر إنزيم تخليق الـ ATP من حيز الثايلاكويد إلى اللُّحمة في عملية تسمى التناضح الكيميائي لتكوين جزيئات ATP، والتي تُستخدم لتكوين جزيئات السكر في المرحلة الثانية من عملية التمثيل الضوئي. يمتص النظام الضوئي الأول فوتونًا ثانيًا، مما ينتج عنه تكوين جزيء NADPH، وهو حامل طاقة آخر لتفاعلات دورة كالفن.

باستخدام حاملات الطاقة المتكونة في المرحلة الأولى من عملية التمثيل الضوئي، تثبت تفاعلات دورة كالفن ثاني أكسيد الكربون (CO₂) من البيئة لبناء جزيئات الكربوهيدرات. يحفز إنزيم RuBisCO تفاعل التثبيت، عن طريق دمج ثاني أكسيد الكربون (CO₂) مع RuBP. يُكسّر المركب السداسي الكربون الناتج إلى مركبين ثلاثيي الكربون، وتُستخدم الطاقة في ATP و NADPH لتحويل هذه الجزيئات إلى G3P. يغادر أحد جزيئات G3P ثلاثية الكربون الدورة ليصبح جزءًا من جزيء كربوهيدرات. تبقى جزيئات G3P المتبقية في الدورة لتُعاد تشكيلها إلى RuBP، التي تكون جاهزة للتفاعل مع المزيد من ثاني أكسيد الكربون (CO₂). يشكل التمثيل الضوئي دورة طاقة متوازنة مع عملية التنفس الخلوي. النباتات قادرة على كل من التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي، لأنها تحتوي على كل من البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا.