Per la fotosintesi ossigenica, sono necessari entrambi i fotosistemi I e II. La fotosintesi ossigenica può essere effettuata dalle piante e dai cianobatteri; si ritiene che i cianobatteri siano i progenitori dei cloroplasti contenenti fotosistema degli eucarioti. I batteri fotosintetici che non possono produrre ossigeno hanno un singolo fotosistema simile a entrambi.
Quando il fotosistema II assorbe la luce, gli elettroni nella clorofilla del centro di reazione sono eccitati a un livello di energia più alto e sono intrappolati dagli accettori primari di elettroni.
Gli elettroni eccitati dalla luce viaggiano attraverso il complesso del citocromo b6f verso il fotosistema I attraverso una catena di trasporto degli elettroni situata nella membrana tilaconica. Questa caduta di energia viene sfruttata, (l’intero processo è chiamato chemiosmosi), per trasportare idrogeno (H+) attraverso la membrana, nel lume del tilacoide, per fornire una differenza di energia potenziale tra lo spazio del lume del tilacoide e lo stroma del cloroplasto, che equivale a una forza motrice protonica che può essere utilizzata per generare ATP. I protoni sono trasportati dal plastochinone. Se gli elettroni passano solo una volta, il processo è chiamato fotofosforilazione non ciclica.
Quando l’elettrone raggiunge il fotosistema I, riempie il deficit di elettroni del centro di reazione clorofilla del fotosistema I.ATP è generato quando l’ATP sintasi trasporta i protoni presenti nel lume allo stroma, attraverso la membrana. Gli elettroni possono continuare a passare attraverso il trasporto ciclico di elettroni intorno al PS I o passare, attraverso la ferredossina, all’enzima NADP+ reduttasi. Elettroni e ioni idrogeno sono aggiunti al NADP+ per formare NADPH. Questo agente riducente viene trasportato al ciclo di Calvin per reagire con il glicerato 3-fosfato, insieme all’ATP per formare la gliceraldeide 3-fosfato, il mattone di base da cui le piante possono produrre una varietà di sostanze.