Do fotosyntezy tlenowej potrzebne są oba fotosystemy I i II. Tlenowa fotosynteza może być przeprowadzana przez rośliny i sinice; uważa się, że sinice są protoplastami zawierających fotosystemy chloroplastów eukariotów. Bakterie fotosyntetyzujące, które nie mogą wytwarzać tlenu, mają pojedynczy fotosystem podobny do obu.
Gdy fotosystem II absorbuje światło, elektrony w centrum reakcji – chlorofilu – są wzbudzane do wyższego poziomu energetycznego i są wychwytywane przez pierwotne akceptory elektronów.
Pobudzone elektrony wędrują przez kompleks cytochromu b6f do fotosystemu I poprzez łańcuch transportu elektronów w błonie tylakoidalnej. Ten spadek energii jest wykorzystywany, (cały proces określany jako chemiosmoza), do transportu wodoru (H+) przez błonę, do światła tylakoidu, w celu zapewnienia różnicy energii potencjalnej między przestrzenią światła tylakoidu a zrębem chloroplastu, co równa się sile protonomotorycznej, która może być wykorzystana do wytworzenia ATP. Protony są transportowane przez plastochinon. Jeśli elektrony przechodzą tylko raz, proces jest określany jako niecykliczna fotofosforylacja.
Gdy elektron dociera do fotosystemu I, wypełnia deficyt elektronów w centrum reakcji – chlorofilu fotosystemu I.ATP jest generowany, gdy syntaza ATP transportuje protony obecne w świetle do zrębu, przez błonę. Elektrony mogą albo kontynuować drogę przez cykliczny transport elektronów wokół PS I, albo przejść, poprzez ferredoksynę, do enzymu reduktazy NADP+. Elektrony i jony wodorowe są dodawane do NADP+ tworząc NADPH. Ten czynnik redukujący jest transportowany do cyklu Calvina, gdzie reaguje z 3-fosforanem glicerolu wraz z ATP, tworząc 3-fosforan gliceraldehydu, podstawowy budulec, z którego rośliny mogą wytwarzać różne substancje.