Pour la photosynthèse oxygénique, les deux photosystèmes I et II sont nécessaires. La photosynthèse oxygénique peut être réalisée par les plantes et les cyanobactéries ; on pense que les cyanobactéries sont les progéniteurs des chloroplastes contenant des photosystèmes des eucaryotes. Les bactéries photosynthétiques qui ne peuvent pas produire d’oxygène ont un seul photosystème semblable à l’un ou l’autre.
Lorsque le photosystème II absorbe la lumière, les électrons de la chlorophylle, centre de réaction, sont excités à un niveau d’énergie plus élevé et sont piégés par les accepteurs d’électrons primaires.
Les électrons photoexcités voyagent à travers le complexe cytochrome b6f jusqu’au photosystème I via une chaîne de transport d’électrons fixée dans la membrane thylakoïde. Cette chute d’énergie est exploitée (l’ensemble du processus est appelé chimiosmose) pour transporter l’hydrogène (H+) à travers la membrane, dans la lumière du thylakoïde, afin de fournir une différence d’énergie potentielle entre l’espace de la lumière du thylakoïde et le stroma du chloroplaste, ce qui équivaut à une force motrice protonique qui peut être utilisée pour générer de l’ATP. Les protons sont transportés par la plastoquinone. Si les électrons ne passent qu’une fois, le processus est appelé photophosphorylation non cyclique.
Lorsque l’électron atteint le photosystème I, il comble le déficit en électrons de la chlorophylle du centre de réaction du photosystème I.L’ATP est générée lorsque l’ATP synthase transporte les protons présents dans la lumière vers le stroma, à travers la membrane. Les électrons peuvent soit continuer à passer par le transport cyclique d’électrons autour du PS I, soit passer, via la ferrédoxine, à l’enzyme NADP+ réductase. Des électrons et des ions hydrogène sont ajoutés au NADP+ pour former du NADPH. Cet agent réducteur est transporté vers le cycle de Calvin pour réagir avec le glycérate 3-phosphate, ainsi que l’ATP pour former le glycéraldéhyde 3-phosphate, la brique de base à partir de laquelle les plantes peuvent fabriquer une variété de substances.