Para la fotosíntesis oxigénica se requieren los fotosistemas I y II. La fotosíntesis oxigénica puede ser realizada por las plantas y las cianobacterias; se cree que las cianobacterias son los progenitores de los cloroplastos que contienen fotosistemas de los eucariotas. Las bacterias fotosintéticas que no pueden producir oxígeno tienen un único fotosistema similar a cualquiera de los dos.
Cuando el fotosistema II absorbe la luz, los electrones del centro de reacción de la clorofila se excitan a un nivel de energía superior y son atrapados por los aceptores primarios de electrones.
Los electrones fotoexcitados viajan a través del complejo del citocromo b6f hasta el fotosistema I mediante una cadena de transporte de electrones situada en la membrana del tilacoide. Esta caída de energía se aprovecha, (todo el proceso se denomina quimiosmosis), para transportar hidrógeno (H+) a través de la membrana, hacia el lumen del tilacoide, para proporcionar una diferencia de energía potencial entre el espacio del lumen del tilacoide y el estroma del cloroplasto, que equivale a una fuerza motriz de protones que puede utilizarse para generar ATP. Los protones son transportados por la plastoquinona. Si los electrones sólo pasan una vez, el proceso se denomina fotofosforilación no cíclica.
Cuando el electrón llega al fotosistema I, llena el déficit de electrones de la clorofila del centro de reacción del fotosistema I.El ATP se genera cuando la ATP sintasa transporta los protones presentes en el lumen al estroma, a través de la membrana. Los electrones pueden continuar por el transporte cíclico de electrones alrededor del PS I o pasar, a través de la ferredoxina, a la enzima NADP+ reductasa. Los electrones y los iones de hidrógeno se añaden al NADP+ para formar NADPH. Este agente reductor es transportado al ciclo de Calvin para reaccionar con el glicerato 3-fosfato, junto con el ATP para formar gliceraldehído 3-fosfato, el bloque básico a partir del cual las plantas pueden hacer una variedad de sustancias.