生物界利用的自由能绝大部分都来自太阳能，光合作用是自然界将光能转变为化学能的
主要途径。地球上每年由植物捕获的太阳能至少产生4.2×1017千焦耳自由能。

光合细胞捕获光能(太阳能)并将其转变为化学能的过程（示意如右图），即绿色植物或光合细菌利用光能将CO2转化成有机化合物的过程称为光合作用(photosynthesis)。
光合作的基本公式可表达如下：
H2O＋CO2——→(CH2O)＋O2
(CH2O)代表糖，在绿色植物中光合作用在叶绿体中进行。
光合有机体可分为生氧的及不生氧的两类。绿色植物以H2O为氢(电子)供体还原时产生02（示意如下图）。其总反应为：
nH2O＋nCO2→(CH2O)n十nO2 
  
光合细菌利用其他化合物代替水作为电子供体，如硫细菌，以硫化氢为氢供体。其光合作用的总反应为：
2H2S十CO2—→(CH2O)十H2O十2S
用乳酸为氢供体的光合细菌，其光合作用的总反应为：
2乳酸＋CO2——→(CH2O)十H2O十2丙酮酸
Cornelis Van Niel提出光合作用可写成以下通式：
2H2O＋CO2—→ (CH2O)十H2O＋2D
他还提出高等植物光合作用产生的O2不是来源于CO2而是来源于H2O。1941年用含同位素18O的水作实验，证明了这一论断。