20世纪初，光合作用的分子机理有了突破性进展，里程碑式的工作主要是：Wilstatter等（1915）由于提纯叶绿素并阐明其化学结构获得诺贝尔奖。
1940年代～1950年代末，M. Calvin等用14C研究光合碳同化，阐明了CO2转化为有机物的生化途径。M. Calvin于1961年获得诺贝尔奖。之后相继确定了CAM途径（M. Thomas，1960）和C4途径（M. D. Hatch和C. B. Slack，1966）。
1965年，R. B. Woodward因全合成叶绿素分子等工作获得了诺贝尔奖。
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。
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。
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。
另外值得一提的是自然界中已发现的光合作用系统有三种：C3、C4及CAM植物。
生物通过几十亿年的进化获得了这种神奇的能力，将太阳能转变为化学能，储存在所形成的有机化合物中。每年光合作用所同化的太阳能约为人类所需能量的10倍。有机物中所存储的化学能，除了供植物本身和全部异养生物之用外，更重要的是可供人类营养和活动的能量来源。相信随着研究的深入，一定会有更多的重大发现，将人类利用能源的能力推向一个新的高度。
