Nogle organismer er i stand til at fange energien fra sollys og bruge den til at producere organiske forbindelser. Denne proces, kendt som fotosyntese, er vigtig for livet, da det giver energi til begge dele producenter og forbrugere. Fotosyntetiske organismer, også kendt som fotoautotrofer, er organismer, der er i stand til fotosyntesen. Nogle af disse organismer inkluderer højere planter, nogle protister (alger og Euglena), og bakterie.
I fotosyntese, lysenergi konverteres til kemisk energi, der opbevares i form af glukose (sukker). Uorganiske forbindelser (kuldioxid, vand og sollys) bruges til at producere glukose, ilt og vand. Fotosyntetiske organismer bruger kulstof til at generere organiske molekyler (kulhydrater, lipider, og proteiner) og opbygge biologisk masse. Det ilt, der produceres som et biprodukt fra fotosyntesen, bruges af mange organismer, inklusive planter og dyr, til cellulær respiration. De fleste organismer er afhængige af fotosyntesen, enten direkte eller indirekte, til næring. Heterotrofisk (
hetero-, -trophic) organismer, såsom dyr, mest bakterie, og svampe, er ikke i stand til fotosyntesen eller til at producere biologiske forbindelser fra uorganiske kilder. Som sådan skal de konsumere fotosyntetiske organismer og andre autotrofer (auto-, -trophs) for at få disse stoffer.Fotosyntese i planter forekommer i specialiseret organeller hedder kloroplaster. Chloroplaster findes i planten blade og indeholder pigmentchlorofyl. Dette grønne pigment absorberer lysenergi, der er nødvendig for at fotosyntesen kan forekomme. Chloroplaster indeholder et internt membransystem bestående af strukturer kaldet thylakoider, der tjener som steder for omdannelse af lysenergi til kemisk energi. Kuldioxid omdannes til kulhydrater i en proces, der kaldes kulstoffiksering eller Calvin-cyklus. Det kulhydrater kan opbevares i form af stivelse, anvendes under respiration eller bruges til produktion af cellulose. Oxygen, der produceres i processen, frigøres i atmosfæren gennem porer i plantebladene kendt som stomata.
Planter spiller en vigtig rolle i cyklus af næringsstoffer, specifikt kulstof og ilt. Akvatiske planter og landplanter (blomstrende planter, moser og bregner) hjælper med at regulere atmosfærisk kulstof ved at fjerne kuldioxid fra luften. Planter er også vigtige for produktionen af ilt, der frigives i luften som et værdifuldt biprodukt af fotosyntesen.
Alger er eukaryote organismer, der har karakteristika for begge dele planter og dyr. Ligesom dyr er alger i stand til at fodre med organisk materiale i deres miljø. Nogle alger indeholder også organeller og strukturer, der findes i dyreceller, såsom flageller og centrioler. Ligesom planter indeholder alger fotosyntetiske organeller kaldet chloroplaster. Chloroplaster indeholder klorofyll, et grønt pigment, der absorberer lysenergi til fotosyntesen. Alger indeholder også andre fotosyntetiske pigmenter, såsom carotenoider og phycobilins.
Alger kan være enhedsceller eller kan eksistere som store flercellede arter. De lever i forskellige levesteder, herunder salt og ferskvand akvatiske miljøer, våd jord eller på fugtige klipper. Fotosyntetiske alger kendt som fytoplankton findes i både hav- og ferskvandsmiljøer. De fleste marine planteplankton er sammensat af kiselalger og dinoflagellater. De fleste ferskvandsplanteplankton er sammensat af grønne alger og cyanobakterier. Planteplankton flyder nær vandoverfladen for at få bedre adgang til sollys, der er nødvendigt til fotosyntesen. Fotosyntetiske alger er afgørende for det globale cyklus af næringsstoffer såsom kulstof og ilt. De fjerner kuldioxid fra atmosfæren og genererer over halvdelen af den globale iltforsyning.
Euglena er encellede protister i slægten Euglena. Disse organismer blev klassificeret i filylen Euglenophyta med alger på grund af deres fotosyntetiske evne. Forskere mener nu, at de ikke er alger, men har fået deres fotosyntetiske evner gennem et endosymbiotisk forhold til grønne alger. Som sådan, Euglena er anbragt i phylum Euglenozoa.
Cyanobakterier er iltisk fotosyntetiskbakterie. De høster solens energi, absorberer kuldioxid og udsender ilt. Ligesom planter og alger indeholder cyanobakterier klorofyl og omdanner kuldioxid til sukker gennem kulstoffiksering. I modsætning til eukaryote planter og alger er cyanobakterier prokaryote organismer. De mangler en membranbundet kerne, kloroplaster, og andre organeller fundet i planter og alger. I stedet har cyanobakterier en dobbelt ydre celle membran og foldede indre thylakoidmembraner, der bruges i fotosyntese. Cyanobakterier er også i stand til nitrogenfiksering, en proces, ved hvilken atmosfærisk nitrogen omdannes til ammoniak, nitrit og nitrat. Disse stoffer absorberes af planter til syntese af biologiske forbindelser.
Cyanobakterier findes i forskellige jordbiomer og akvatiske miljøer. Nogle overvejes extremofiler fordi de lever i ekstremt barske miljøer som hotsprings og hypersaline bugter. Gloeocapsa cyanobakterier kan endda overleve de barske forhold i rummet. Cyanobakterier findes også som fytoplankton og kan leve i andre organismer, såsom svampe (lav), protisterog planter. Cyanobakterier indeholder pigmenterne phycoerythrin og phycocyanin, som er ansvarlige for deres blågrønne farve. På grund af deres udseende kaldes disse bakterier undertiden blågrønne alger, skønt de overhovedet ikke er alger.
Anoxygenisk fotosyntetisk bakterier er photoautotrophs (syntetiserer mad ved hjælp af sollys), der ikke producerer ilt. I modsætning til cyanobakterier, planter og alger, bruger disse bakterier ikke vand som en elektrondonor i elektrontransportkæde under produktionen af ATP. I stedet bruger de brint, hydrogensulfid eller svovl som elektrondonorer. Anoxygeniske fotosyntetiske bakterier adskiller sig også fra cyanobaceria, idet de ikke har klorofyl til at absorbere lys. De indeholder bacteriochlorophyl, der er i stand til at absorbere kortere bølgelængder af lys end klorofyl. Som sådan findes bakterier med bakteriochlorophyll i dybe akvatiske zoner, hvor kortere bølgelængder af lys er i stand til at trænge igennem.
Eksempler på anoxygeniske fotosyntetiske bakterier inkluderer lilla bakterier og grønne bakterier. Lilla bakterieceller kommer i en forskellige former (sfærisk, stang, spiral) og disse celler kan være bevægelige eller ikke-bevægelige. Purpur svovlbakterier findes ofte i vandmiljøer og svovlfjedre, hvor der er hydrogensulfid, og ilt er fraværende. Purpur ikke-svovlbakterier bruger lavere koncentrationer af sulfid end lilla svovlbakterier og afsætter svovl uden for deres celler i stedet for inde i deres celler. Grønne bakterieceller er typisk sfæriske eller stavformede, og cellerne er primært ikke-bevægelige. Grønne svovlbakterier bruger sulfid eller svovl til fotosyntesen og kan ikke overleve i nærværelse af ilt. De deponerer svovl uden for deres celler. Grønne bakterier trives i sulfidrige vandmiljøer og danner nogle gange grønlige eller brune blomster.