光合作用的全部过程并不都需要光，凡在光下才能进行的一系列光物理和光化学反应称为光反应。可简单概括为水的光解、放氧同时形成还原型辅酶Ⅱ（NADPH）和三磷酸腺苷（ATP）。即叶绿体色素分子（包括叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素）吸收光能，并传递到少数特殊状态的叶绿素a分子（即原初电子供体）上，它就被光激发，立即给出高能电子，被原初电子受体接受，即在原初电子供体与原初电子受体之间，发生了氧化还原反应（表现为电荷分离），这就是原初光化学反应，这样就将光能转变为化学能。原初电子供体给出高能电子而呈氧化状态，它需从别处得到电子恢复原状再接受光能，这电子最终来自水，这样使水被氧化分解放出氧气、质子（H⁺）和电子。由于水被氧化是由光引起的，故称为“水的光解”。原初电子受体接受电子后，引起电子在电子传递体之间传递，最后将电子传递给氧化型辅酶Ⅱ（NADP⁺），它得到电子后再从介质中得到H⁺而成为NADPH。在电子传递过程中发生磷酸化作用形成ATP，同时将原初光化学反应中，由光能转换成的不稳定的化学能，成为比较稳定的化学能贮存在NADPH和ATP中。光反应是在叶绿体的片层结构上进行的。