Bei der sauerstoffhaltigen Photosynthese wandeln Cyanobakterien und die Chloroplasten von Pflanzen und Algen Kohlendioxid, Wasser und Photonen in Kohlenhydrate und freien Sauerstoff um. Nur ein Teil dieses Sauerstoffs wird vom Organismus genutzt; der Rest wird in die Atmosphäre abgegeben.
Aus Sicht der Chloroplasten ist Sauerstoff Abfall. Der Kohlenstoff aus Kohlendioxid und der Wasserstoff aus dem Wasser werden elektrochemisch zu Kohlenhydraten verbunden, und ein Großteil des Sauerstoffs ist für den Organismus unbrauchbar. Als sich die sauerstoffhaltige Photosynthese vor 2 Milliarden Jahren zum ersten Mal entwickelte, war das Ergebnis eine globale Katastrophe, da der neue Schadstoff, der zweiatomige Sauerstoff, ein Massensterben verursachte.
Als halbunabhängige Bestandteile von Zellen sind Chloroplasten in Form und Funktion bemerkenswert ähnlich. Dies hat zu einer weit verbreiteten Theorie geführt, dass sie von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen, der sich in einer symbiotischen Beziehung in die Zellen von Pflanzen und Algen eingegliedert hat, ähnlich wie die Mitochondrien beim Menschen. Die Zelle bietet dem Chloroplasten Wasser und Schutz, und der Chloroplast gibt seine energiehaltigen Moleküle an die Zelle ab.
Während das Pigment Chlorophyll, das Pflanzen und Grünalgen ihre Farbe verleiht, stark mit der sauerstoffhaltigen Photosynthese in Verbindung gebracht wird, ist es dafür nicht notwendig. Andere Pigmente wie Carotine und Xanthophylle sind in Pflanzen wie Weizen üblich. Braun- und Rotalgen haben ihre eigenen Pigmente.
