元古宙開始，地球生物圈主要產氧光合作用主。
進行此類光合作用生物（比如各種植物、綠藻和藍綠菌）主要依賴卟啉衍生物——葉綠素作為反應中心感光色素，主要吸收可見光譜中紅色和藍色波段（吸收綠光，因此呈現綠色），並以此將水和二氧化碳轉換碳水化合物和氧氣，其能量轉換效率6%[2]。
作為起始端的生產者，植物和藻類通過光合作用生產有機物可以其它異養生物攝入並消化，然後通過食物鏈生物能傳遞生態系統內其它消費者。
對大多數生物來説，這個過程是賴生存關鍵。
而地球上碳循環，光合作用是其中一環。
電子傳遞鏈分兩種，即循環電子傳遞鏈（cyclic electron transfer system）和非循環電子傳遞鏈（noncyclic electron transfer system）
光系統2出發：
光系統2→初級接受者（Primary acceptor）→質體醌（Pq）→細胞色素複合體（Cytochrome Complex）→質體藍素（含銅蛋白質，Pc）→光系統1→初級接受者→鐵氧化蛋白（Fd）→NADP+原酶（NADP+ reductase）
電子傳遞鏈光系統2出發後，會光解水，釋放氧氣，產生三磷酸腺苷 (ATP)NADPH。
除此之外，鹽桿菌古菌會用視黃醛和其視紫質衍生物來吸收綠光（因此呈現紫色）驅動跨膜蛋白中離子泵並直接生產三磷酸腺苷和化學能，並進行固碳反應。
以視黃醛基礎光合作用很可能太古宙早期出現，是地球史上一種利用日光生產有機物生化現象（參見紫色地球説）。
雖然一些光合作用中步驟不能完全理解，但是整體光合方程式自19世紀以來是已知。
植物動物。
綠色植物與部分微生物陽光白天，能利用太陽提供能量來進行光合作用，獲得生髮育必需養分，這所謂自營生物。
此種自營稱為光合自營。
這個過程關鍵參與者是細胞內部葉綠體。
葉綠體陽光作用下，經由氣孔進入葉片內部二氧化碳和根部吸收水轉變成為葡萄糖，同時釋放出氧氣：
注意：上式中等號兩邊水不能抵消，雖然化學上此方程式顯得。
原因是左邊水分子是植物吸收所得，而且於製造氧氣和提供電子和氫離子。
而右邊水分子氧原子是來自二氧化碳。
地表達這一原料產物起始過程，人們習慣號左右兩邊寫上水分子，或者右邊水分子右上角打上星號。
電子傳遞鏈分兩種，即循環電子傳遞鏈（cyclic electron transfer system）和非循環電子傳遞鏈（noncyclic electron transfer system）
光系統2出發：
光系統2→初級接受者（Primary acceptor）→質體醌（Pq）→細胞色素複合體（Cytochrome Complex）→質體藍素（含銅蛋白質，Pc）→光系統1→初級接受者→鐵氧化蛋白（Fd）→NADP+原酶（NADP+ reductase）
電子傳遞鏈光系統2出發後，會光解水，釋放氧氣，產生三磷酸腺苷 (ATP)NADPH。
光系統1出發：
光系統1→初級接受者（Primary acceptor）→鐵氧化蛋白（Fd）→細胞色素複合體（Cytochrome Complex）→質體藍素（含銅蛋白循環電子傳遞鏈會產生氧氣，因為電子來源並是水光解），後會生產出三磷酸腺苷（ATP）。
非循環電子傳遞鏈中，細胞色素複合體會氫離子打到類囊體（Thylakoid）裏面。
濃度氫離子會濃度差向類囊體外擴散。
於類囊體膜雙層磷脂分子組成，所以氫離子靠通道蛋白進行擴散，這個通道蛋白ATP合酶。
固碳作用實質上是一系列酶促反應結果。
生物界有幾種固碳方法，其中卡爾文循環主，但並非所有進行光合作用細胞使用卡爾文循環進行碳，例如硫細菌會使用還原性三羧酸循環，綠曲撓菌（Chloroflexus）會使用3-羥基丙酸途徑（3-Hydroxy-Propionate pathway），有一些生物會使用核酮糖-單磷酸途徑（Ribolose-Monophosphate Pathway）和絲氨酸途徑（Serine Pathway）進行碳。
卡爾文循環是光合作用裏碳反應一部分。
反應場所為葉綠體內基質。
循環可分為三個階段：羧化、二磷酸核酮糖再生。
大部分植物會吸收到一分子二氧化碳，通過核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶作用，整合到一個五碳糖分子1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）第二位碳原子上。
此過程稱二氧化碳。
然後提取物應用雙向紙層析法，分離各種化合物，通過放射影，分析放射性上面斑點，並已知化學成份。
延伸閱讀…
但這種六碳化合物，會分解兩分子三碳化合物3-磷酸甘油酸。
後者光反應中生成NADPH氫離子，此過程需要消耗ATP。
產物是3-磷酸丙糖。
後來一系列複雜生化反應，一個碳原子會於合成葡萄糖而離開循環。
剩下五個碳原子經一系列變化，後生成一分子1，5-二磷酸核酮糖，循環開始。
卡爾文循環每進行六次，生成一分子葡萄糖。
二次大戰後，美國加州大學柏克萊分校梅爾文·卡爾文他同事們研究一種綠球藻，確定植物光合作用中如何CO2。
此時C14示蹤技術和雙紙層析法技術，卡爾文實驗中用上此兩種技術。
他們培養出來綠球藻，放置含有未標記CO2密閉容器中，然後C14標記CO2注入容器，培養時間後，球藻浸入乙醇中殺死細胞，使細胞中酶變性而。
接着他們提取到溶液裏分子。
然後提取物應用雙向紙層析法，分離各種化合物，通過放射影，分析放射性上面斑點，並已知化學成份。
延伸閱讀…
卡爾文實驗中發現，標記有C14CO2能轉變成有機物。
幾秒鐘內，層析紙上就出現放射性斑點，已知化學物，斑點中化學成分是3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate,PGA），是糖酵解中間體。
這第一個提取到產物是一個三碳分子，所以這種CO2途徑稱為C3途徑，將通過這種途徑CO2植物稱為C3植物。
後來研究發現，CO2C3途徑是一個循環過程。
人們稱C3循環。
這一循環稱“卡爾文循環”。
C3類植物，如米和麥，二氧化碳經氣孔進入葉片後，直接進入葉肉進行卡爾文循環。
而C3植物維管束鞘細胞 (bundle-sheath cells) ，不含或含很少葉綠體，卡爾文循環這裏發生。
1960年代，澳洲科學家哈奇（M. D. Hatch）和斯萊克（C. R. Slack）發現玉米、甘蔗熱帶綠色植物，和其他綠色植物一樣，具有卡爾文循環外，CO2通過一條途徑。
這條途徑稱為“哈奇-斯萊克途徑”。
C4植物主要是一些生活乾旱熱帶地區植物。
這種環境中，植物倘若時間開放氣孔吸收二氧化碳，會導致水分通過蒸騰作用過流失。
所以，植物只能時間開放氣孔，二氧化碳攝入量。
植物利用這少量二氧化碳進行光合作用，合成自身所需物質。
C4植物葉片維管束周圍，有維管束鞘圍繞，這些維管束鞘細胞含有葉綠體，但裏面並無基粒或發育。
這裏，主要進行卡爾文循環地方。