W tlenowej fotosyntezie, cyjanobakteriach i chloroplastach roślin i alg zamieniają dwutlenek węgla, wodę i fotony w węglowodany i wolny tlen. Tylko część tego tlenu jest wykorzystywana przez organizm; reszta jest uwalniana do atmosfery.
Z punktu widzenia chloroplastu tlen jest marnotrawstwem. Węgiel z dwutlenku węgla i wodoru z wody jest elektrochemicznie łączony w węglowodany, a duża część tlenu nie jest już potrzebna organizmowi. Kiedy tlenowa fotosynteza rozwinęła się po raz pierwszy 2 miliardy lat temu, rezultatem była ogólnoświatowa katastrofa, ponieważ nowe zanieczyszczenie, dwuatomowy tlen, spowodowało masowe wymieranie.
Jako pół-niezależne składniki komórek, chloroplasty są niezwykle podobne pod względem formy i funkcji. Doprowadziło to do szeroko popartej teorii, że wywodzą się one od wspólnego przodka, który włączył się do komórek roślin i glonów w relacji symbiotycznej, podobnej do mitochondriów u ludzi. Komórka dostarcza wodę i chroni chloroplast, a chloroplast uwalnia cząsteczki zawierające energię do komórki.
Podczas gdy pigment chlorofil, który nadaje roślinom i zielonym algom ich kolor, jest silnie związany z fotosyntezą tlenową, nie jest do tego niezbędny. Inne pigmenty, takie jak karoteny i ksantofile, są powszechne w roślinach takich jak pszenica. Brązowe i czerwone algi mają swoje własne pigmenty.
