通过实验表明，光合作用释放的氧元素来自水，氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。实际上，光合作用的过程十分复杂，它包括一系列化学反应。根据是否需要光能，这些化学反应可概括地分为光反应（Light reaction）和暗反应（Dark reaction,现在也称碳反应，Carbon reaction）两个阶段。
光反应光反应阶段，是光合作用第一个阶段的化学反应，是必须有光才能进行，这个阶段是在类囊体的薄膜上进行的。
叶绿体中光合色素吸收的光能，有以下几个作用：1.是将水分解为氧和H ，氧直接以氧分子的形式释放出去，H 与NAPD（氧化型辅酶II）结合，形成NAPDH（还原型辅酶II）NAPDH作为一种活泼的还原剂，参与暗反应，同时储存部分能量，供暗反应阶段时利用；2.是将ADP与Pi反应，形成ATP，这些ATP将参与第二个阶段合成有机物的化学反应。
光合作用过程的示意图
暗反应暗反应阶段，光合作用第二个阶段中的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫做暗反应阶段。暗反应阶段的化学反应叶绿体的基质中进行的。在这一阶段中，CO2被利用，在一系列的反应后生成糖类。
CO2是怎么转化为糖类呢？20世纪40年代，美国科学家卡尔文（M.Calvin,1911—1997）用小球藻（一种单细胞的绿藻）做了这样的实验：用经过14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。
绿叶通过气孔从外界吸收的CO2，在酶的作用下，与C5（一种五碳化合物，化学式为核酮糖-1,5-二磷酸）结合，这个过程称为CO2的固定，一分子的CO2被固定后，很快形成2个C3（一种三碳化合物，化学式为3-磷酸甘油酸），C3在酶的催化下，接受ATP和NAPDH释放的能量，并且被NAPDH还原，一些接收能量且被还原的C3，在酶的作用下经过一系列的反应，成为糖类；另一些接收能量且被还原的C3，经过一系列变化，又成为C5，这些C5又可以参与CO2的固定。这样，暗反应阶段从C5到C3再到C5的循环，可以源源不断地进行下去，因此暗反应过程也称作卡尔文循环。
光反应阶段和暗反应阶段图
