光合作用的核心原理是通过吸收光能将二氧化碳和水转化为储存能量的有机物并释放氧气，其总反应方程式为​​6CO₂ + 6H₂O（光照、叶绿体）→ C₆H₁₂O₆ + 6O₂​​，该过程包含光反应与暗反应两大阶段，依赖叶绿体中的色素与酶系统协作完成能量转换与物质合成。

光合作用的实质是将光能转化为化学能并固定碳元素。光反应阶段发生在类囊体薄膜上，叶绿素等色素吸收可见光中的红光与蓝紫光，通过光电效应激发电子，水分子在光解过程中释放氧气并产生电子与氢离子（2H₂O → 4[H] + O₂），电子传递链推动ADP磷酸化生成ATP，同时产生NADPH作为还原力；暗反应阶段在叶绿体基质中进行，不依赖光照却需光反应产物，二氧化碳与五碳化合物（C₅）结合生成三碳化合物（C₃），后者在ATP供能及NADPH协助下被还原为葡萄糖（CH₂O），未消耗的C₅继续参与循环。卡尔文循环揭示了碳固定的具体路径，而C₄与CAM途径则是植物适应干旱环境的特殊变体。

光合作用的关键影响因素包括光照强度、温度与二氧化碳浓度。光照不足限制电子传递效率，低温抑制酶活性，过高温度则导致叶绿体结构破坏，而增加二氧化碳浓度可提升卡尔文循环速率，但需配合充足光照与水供应以平衡气孔开闭。光合色素的种类与分布决定吸收光谱范围，类胡萝卜素在强光下可吸收多余能量保护叶绿体免受光损伤。

理解光合作用原理对农业、生态及碳减排具有重要指导意义。人工光源模拟与二氧化碳浓度控制技术已应用于温室种植以提高作物产量；通过增强光合效率间接提升粮食自给的生物工程策略正成为科研焦点。维持适宜的环境条件以支持该过程，是保障地球碳氧平衡的核心手段之一。