光合作用是植物和其他生物將光能轉化為化學能的過程，通過細胞呼吸，化學能隨后可以釋放出來為生物體的活動提供燃料。 一些化學能儲存在碳水化合物分子中，例如糖和淀粉，它們由二氧化碳和水合成——因此得名光合作用，來自希臘語 phōs (φ??)，光和合成 (σ?νθεσι?)，放在一起。 大多數植物、藻類和藍藻進行光合作用； 這種生物被稱為光合自養生物。 光合作用主要負責產生和維持地球大氣層的氧氣含量，并提供地球上生命所需的大部分能量。

盡管不同物種進行光合作用的方式不同，但這個過程總是在光能被稱為反應中心的蛋白質吸收時開始，這些蛋白質包含綠色葉綠素（和其他有色）色素/生色團。 在植物中，這些蛋白質被保存在稱為葉綠體的細胞器內，葉細胞中最豐富，而在細菌中，它們被嵌入質膜中。 在這些依賴于光的反應中，一些能量用于從合適的物質（例如水）中剝離電子，從而產生氧氣。 水分解釋放的氫被用于產生另外兩種化合物，這些化合物用作短期能量儲存，使其能夠轉移以驅動其他反應：這些化合物是還原的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）和三磷酸腺苷（ ATP），細胞的能量貨幣。

在植物、藻類和藍細菌中，糖類是通過隨后的一系列不依賴于光的反應（稱為卡爾文循環）合成的。 在卡爾文循環中，大氣中的二氧化碳被并入已經存在的有機碳化合物中，例如二磷酸核酮糖 (RuBP)。 使用由光依賴性反應產生的 ATP 和 NADPH，然后將生成的化合物還原并去除，以形成更多的碳水化合物，例如葡萄糖。 在其他細菌中，使用不同的機制（例如反向克雷布斯循環）來達到相同的目的。

xxx批光合生物可能在生命進化史的早期進化，并且很可能使用氫或硫化氫等還原劑而不是水作為電子源。 后來出現了藍藻； 它們產生的過量氧氣直接促進了地球的充氧，從而使復雜生命的進化成為可能。 如今，全球光合作用捕獲能量的平均速率約為 130 太瓦，約為當前人類文明耗電量的八倍。 光合生物每年還將大約 100-1150 億噸（91-104 Pg 拍克，或十億公噸）的碳轉化為生物質。 除了空氣、土壤和水之外，植物還從光中獲得一些能量，這一點于 1779 年由 Jan Ingenhousz 首次發現。

光合作用對于氣候過程至關重要，因為它從空氣中捕獲二氧化碳，然后將碳結合在植物中，并進一步結合在土壤和收獲的產品中。 據估計，僅谷物每年就會吸收 3,825 Tg（太克）或 3.825 Pg（拍克）二氧化碳，即 38.25 億公噸。

大多數光合生物都是光合自養生物，這意味著它們能夠利用光能直接從二氧化碳和水中合成食物。 但是，并非所有生物都使用二氧化碳作為碳原子的來源來進行光合作用。 光合異養生物使用有機化合物而不是二氧化碳作為碳源。 在植物、藻類和藍細菌中，光合作用釋放氧氣。 這種含氧光合作用是迄今為止生物體使用的最常見的光合作用類型。 盡管植物、藻類和藍細菌的含氧光合作用之間存在一些差異，但這些生物體的整個過程非常相似。 無氧光合作用也有很多種，主要由細菌使用，它們消耗二氧化碳但不釋放氧氣。

二氧化碳在稱為碳固定的過程中轉化為糖； 光合作用從陽光中獲取能量，將二氧化碳轉化為碳水化合物。 碳固定是一種吸熱的氧化還原反應。 總的來說，光合作用與細胞呼吸相反：光合作用是將二氧化碳還原為碳水化合物的過程，而細胞呼吸是將碳水化合物或其他營養物質氧化為二氧化碳的過程。 細胞呼吸中使用的營養物質包括碳水化合物、氨基酸和脂肪酸。 這些營養物質被氧化產生二氧化碳和水，并釋放出化學能來驅動機體的新陳代謝。 光合作用和細胞呼吸是不同的過程，因為它們通過不同的化學反應順序發生。