绿色植物光合作用是地球上最为普遍、规模的反应过程，在有机物合成、蓄积太阳能量和净化空气、保持大气中氧气含量和碳循环的稳定等方面起很大作用，是农业生产的基础，在理论和实践上都具有重大意义。据计算，整个世界的绿色植物每天可以产生约4亿吨的蛋白质、碳水化合物和脂肪，与此同时，还能向空气中释放出近5亿吨还多的氧，为人和动物提供了充足的食物和氧气。
叶片是进行光合作用的主要器官，叶绿体是光合作用的重要细胞器。高等植物的叶绿体色素包括叶绿素(a和b)和类胡萝卜素(胡萝卜素和叶黄素)，它们分布在光合膜上。叶绿素的吸收光谱和荧光现象，说明它可吸收光能、被光激发。叶绿素的'生物合成在光照条件下形成，既受遗传性制约，又受到光照、温度、矿质营养、水和氧气等的影响。
光合作用包括光反应过程、光合碳同化二个相互联系的步骤，光反应过程包括原初反应和电子传递与光合磷酸化两个阶段，其中前者进行光能的吸收、传递和转换，把光能转换成电能，后者则将电能转变为ATP和NADPH2(合称同化力)这两种活跃的化学能。活跃的化学能转变为稳定化学能是通过碳同化过程完成的。碳同化有C3、C4和CAM三条途径，根据碳同化途径的不同，把植物分为C3植物、C4植物和CAM植物。但C3途径是所有的植物所共有的、碳同化的主要形式，其固定CO2的酶是RuBP羧化酶。C4途径和CAM途径都不过是CO2固定方式不同，最后都要在植物体内再次把CO2释放出来，参与C3途径合成淀粉等。C4途径和CAM途径固定CO2的酶都是PEP羧化酶，其对CO2的亲和力大于RuBP羧化酶，C4途径起着CO2泵的作用;CAM途径的特点是夜间气孔开放，吸收并固定CO2形成苹果酸，昼间气孔关闭，利用夜间形成的苹果酸脱羧所释放的CO2，通过C3途径形成糖。这是在长期进化过程中形成的适应性。
光呼吸是绿色细胞吸收O2放出CO2的过程，其底物是C3途径中间产物RuBP加氧形成的乙醇酸。整个乙醇酸途径是依次在叶绿体、过氧化体和线粒体中进行的。C3植物有明显的光呼吸，C4植物光呼吸不明显。
植物光合速率因植物种类品种、生育期、光合产物积累等的不同而异，也受光照、CO2、温度、水分、矿质元素、O2等环境条件的影响。这些环境因素对光合的影响不是孤立的，而是相互联系、共同作用的。在一定范围内，各种条件越适宜，光合速率就越快。
植物光能利用率还很低。作物现有的产量与理论值相差甚远，所以增产潜力很大。要提高光能利用率，就应减少漏光等造成的光能损失和提高光能转化率，主要通过适当增加光合面积、延长光合时间、提高光合效率、提高经济产量系数和减少光合产物消耗。改善光合性能是提高作物产量的根本途径。