Wilstatter
随后不久，英国和德国的科学家，用藻类做实验表明，光合作用可以分为两个阶段：需要光参与的光反应阶段和不需要光的暗反应阶段。
上世纪中叶，M. Calvin等人用同位素碳研究光合反应，详细阐明了二氧化碳中碳的去向。
因其试验方法对于以后的分子生物研究，具有重大意义，同时也为进一步阐述光合作用，于是1961年，M. Calvin获得诺贝尔奖（第二枚）。
M. Calvin接受诺贝尔奖现场
后来，人们运用类似方法，确定了光合作用中的两条途径：C4途径（甘蔗、玉米等植物的光合作用途径）和景天科酸代谢途径（菠萝等植物的光合作用途径）。
但是，此时人们因为试验的复杂性，还没有发现完整发现植物界最为常见的C3途径。
1954年，美国科学家D. I. Arnon等通过试验分析认为，光反应可以产生一种“同化力”去推动暗反应进行，而暗反应的的实质就是利用这种“同化力”将无机碳（二氧化碳）转化为有机碳（糖）。
1960年，Hill等人提出了双光系统的概念，把吸收长波光的系统称为光系统Ⅰ（PSⅠ），吸收短波长光的系统称为光系统Ⅱ（PSⅡ）。
1965年，R. B. Woodward在实验室人工合成叶绿素分子，被授予诺贝尔奖（第三枚）。
R. B. Woodward
1980年代末期，Deisenhofer等测定了光合细菌反应中心结构，取得了解膜蛋白复合体细节及光合原初反应研究的突出进展，获得了1988年的诺贝尔奖（第四枚）。
1992年，Marcus因研究包括光合作用电子传递在内的生命体系的电子传递理论而获得诺贝尔奖（第五枚）。
Marcus
1990年代末，催化光合作用的光合磷酸化和呼吸作用的氧化磷酸化的酶的动态结构与反应机理研究获得了重大进展。Walker和Boyer获得了1997年的诺贝尔奖（第六枚）。
