Voor zuurstofhoudende fotosynthese zijn zowel fotosysteem I als fotosysteem II nodig. Zuurstofhoudende fotosynthese kan worden uitgevoerd door planten en cyanobacteriën; cyanobacteriën worden verondersteld de voorlopers te zijn van de fotosysteem-bevattende chloroplasten van eukaryoten. Fotosynthetische bacteriën die geen zuurstof kunnen produceren, hebben een enkel fotosysteem dat op een van beide lijkt.
Wanneer fotosysteem II licht absorbeert, worden de elektronen in het reactiecentrum chlorofyl aangeslagen tot een hoger energieniveau en worden ze gevangen door de primaire elektronenacceptoren.
De aangeslagen elektronen reizen via het cytochroom b6f-complex naar fotosysteem I via een elektronentransportketen in het thylakoïdmembraan. Deze energiedaling wordt benut (het hele proces wordt chemiosmose genoemd) om waterstof (H+) door het membraan naar het thylakoïd lumen te transporteren, om een potentieel energieverschil tussen de thylakoïd lumenruimte en het chloroplast stroma op te wekken, wat neerkomt op een proton-motorkracht die kan worden gebruikt om ATP te genereren. De protonen worden getransporteerd door het plastochinon. Als de elektronen slechts eenmaal passeren, wordt het proces niet-cyclische fotofosforylering genoemd.
Wanneer het elektron fotosysteem I bereikt, vult het het elektronentekort van het reactiecentrum chlorofyl van fotosysteem I aan.ATP wordt gegenereerd wanneer de ATP-synthase de protonen die in het lumen aanwezig zijn, door het membraan naar het stroma transporteert. De elektronen kunnen ofwel verder gaan via cyclisch elektronentransport rond PS I of via ferredoxine naar het enzym NADP+ reductase gaan. Elektronen en waterstofionen worden aan NADP+ toegevoegd om NADPH te vormen. Dit reductiemiddel wordt naar de Calvijn-cyclus getransporteerd om te reageren met glyceraat-3-fosfaat, samen met ATP, tot glyceraldehyde-3-fosfaat, de basisbouwsteen waaruit planten een verscheidenheid van stoffen kunnen maken.