יש אורגניזמים המסוגלים לתפוס את האנרגיה מאור השמש ולהשתמש בה לייצור תרכובות אורגניות. תהליך זה, המכונה פוטוסינתזה, חיוני לחיים שכן הוא מספק אנרגיה לשניהם יצרנים וצרכנים. אורגניזמים פוטוסינתטיים, המכונים גם פוטו-אוטוטרופים, הם אורגניזמים המסוגלים לפוטוסינתזה. חלק מהאורגניזמים הללו כוללים יותר גבוה צמחים, כמה מפגינים (אצות ו euglena), ו חיידקים.
בתוך פוטוסינתזה, אנרגיית האור מומרת לאנרגיה כימית, המאוחסנת בצורה של גלוקוז (סוכר). תרכובות אורגניות (פחמן דו חמצני, מים ואור שמש) משמשות לייצור גלוקוז, חמצן ומים. אורגניזמים פוטוסינתטיים משתמשים בפחמן כדי לייצר מולקולות אורגניות (פחמימות, שומנים, ו חלבונים) ולבנות מסה ביולוגית. החמצן המיוצר כתוצר דו-ממדי של פוטוסינתזה משמש לאורגניזמים רבים, כולל צמחים ובעלי חיים, ל נשימה תאית. רוב האורגניזמים מסתמכים על פוטוסינתזה, באופן ישיר או עקיף, לצורך הזנה. הטרוטרופי (הטרו-, -תזונתי) אורגניזמים, כמו בעלי חיים, לרוב חיידקים, ו פטריות, אינם מסוגלים לפוטוסינתזה או לייצר תרכובות ביולוגיות ממקורות אורגניים. ככאלה, עליהם לצרוך אורגניזמים פוטוסינתטיים ואוטרופרים אחרים (אוטומטי-, גביעים) על מנת להשיג חומרים אלה.
פוטוסינתזה בתוך צמחים מתרחש בהתמחות אברונים שקוראים לו כלורופלסטים. כלורופלסטים נמצאים בצמח משאיר ומכילים את כלורופיל הפיגמנט. פיגמנט ירוק זה סופג אנרגיית אור הנחוצה לצורך התרחשות הפוטוסינתזה. כלורופלסטים מכילים מערכת ממברנה פנימית המורכבת ממבנים הנקראים תילקואידים המשמשים כאתרי ההמרה של אנרגיית האור לאנרגיה כימית. פחמן דו חמצני מומר לפחמימות בתהליך המכונה קיבוע פחמן או מחזור קלווין. ה פחמימות ניתן לאחסן בצורה של עמילן, בשימוש בזמן הנשימה, או לשימוש בייצור תאית. חמצן המיוצר בתהליך משוחרר לאטמוספירה דרך נקבוביות העלים של הצמח המכונה סטומטה.
צמחים ממלאים תפקיד חשוב ב מחזור של חומרים מזינים, במיוחד פחמן וחמצן. צמחי מים וצמחי אדמה (צמחים פורחיםטחבים ושרכים) מסייעים בוויסות הפחמן האטמוספרי על ידי סילוק הפחמן הדו-חמצני מהאוויר. צמחים חשובים גם לייצור חמצן, המשתחרר לאוויר כבעל ערך תוצר לוואי של פוטוסינתזה.
אצות הם אורגניזמים אוקריוטים שיש להם מאפיינים של שניהם צמחים ו חיות. כמו בעלי חיים, אצות מסוגלות להאכיל מחומרים אורגניים בסביבתם. חלק מהאצות מכילות גם אברונים ומבנים שנמצאים בתאי בעלי חיים, כמו למשל סמל ו צנטריות. כמו צמחים, אצות מכילות אברונים פוטוסינתטיים הנקראים כלורופלסטים. כלורופלסטים מכילים כלורופיל, פיגמנט ירוק שסופג אנרגיית אור לפוטוסינתזה. האצות מכילות גם פיגמנטים פוטוסינתטיים אחרים כמו קרוטנואידים ופיקובילינים.
אצות יכולות להיות חד-תאיות או יכולות להתקיים כמינים רב-תאיים גדולים. הם חיים בבתי גידול שונים כולל מלח ומים מתוקים סביבות מימיותאדמה רטובה או על סלעים לחים. אצות פוטוסינתטיות המכונות פיטופלנקטון נמצאות בסביבות ימיות וגם במים מתוקים. רוב הפיטופלנקטונים הימיים מורכבים מ- משטחי דם ו דינופלגלטים. מרבית הפיטופלנקטון למים מתוקים מורכבים מאצות ירוקות וציאנובקטריות. פיטופלנקטון צף קרוב לפני השטח של המים כדי לקבל גישה טובה יותר לאור השמש הדרוש לפוטוסינתזה. אצות פוטוסינתטיות הן חיוניות לעולם מחזור של חומרים מזינים כמו פחמן וחמצן. הם מוציאים את הפחמן הדו-חמצני מהאטמוספרה ומייצרים למעלה ממחצית מאספקת החמצן העולמית.
יוג'לנה הם פרוטסטים חד-תאיים בסוג יוג'לנה. אורגניזמים אלה סווגו בפילום יוגלנופיטה עם אצות בגלל יכולתם הפוטוסינתטית. מדענים מאמינים כעת כי הם אינם אצות אך צברו את יכולותיהם הפוטוסינתטיות באמצעות קשר אנדוסימביוטי עם אצות ירוקות. ככזה, יוג'לנה הונחו בפילום יוגלנוזואה.
ציאנו-בקטריות הן פוטוסינתטי חמצןחיידקים. הם קוצרים את אנרגיית השמש, סופגים פחמן דו חמצני ופולטים חמצן. כמו צמחים ואצות, ציאנובקטריה מכילה כלורופיל ולהמיר פחמן דו חמצני לסוכר באמצעות קיבוע פחמן. שלא כמו צמחים ואצות אוקריוטיות, ציאנובקטריה היא אורגניזמים פרוקריוטיים. חסר להם קרום כבול גרעין, כלורופלסטים, ואחר אברונים נמצא ב צמחים ו אצות. במקום זאת, ציאנובקטריה יש חיצוני כפול קרום תא וקרומים פנימיים של תילאוכידיים מקופלים המשמשים אותם פוטוסינתזה. ציאנו-בקטריות מסוגלות גם לקיבוע חנקן, תהליך שבאמצעותו מומרים חנקן אטמוספרי לאמוניה, ניטריט, וחנקה. חומרים אלה נספגים על ידי צמחים לתרכובות ביולוגיות לסינתזה.
ציאנו-בקטריות נמצאות במגוון ביו-אדמה ו סביבות מימיות. חלקם נחשבים אקסטרים מכיוון שהם חיים בסביבות קשות במיוחד כמו צאצאים חמים ומפרצים היפרסאליים. ציאנובקטריה של Gloeocapsa יכול אפילו לשרוד את התנאים הקשים של המרחב. ציאנו-בקטריה קיימת גם כן פיטופלנקטון ויכולים לחיות בתוך אורגניזמים אחרים כמו פטריות (חזזית), מפגינים, וצמחים. ציאנו-בקטריות מכילות את הפיגמנטים phycoerythrin ו- phycocyanin, האחראים על צבעם הכחול-ירוק. בשל הופעתם נקראים לעיתים חיידקים אלו אצות כחולות-ירוקות, אם כי אינן אצות כלל.
פוטוסינתטיים אנוקסוגניים חיידקים הם תמונות אוטוטרופות (מסנתז אוכל באמצעות אור שמש) שאינם מייצרים חמצן. שלא כמו ציאנובקטריה, צמחים ואצות, חיידקים אלה אינם משתמשים במים כתורם אלקטרונים שרשרת העברת אלקטרונים במהלך הייצור של ATP. במקום זאת הם משתמשים במימן, מימן גופרתי או גופרית כתורמי אלקטרונים. חיידקים פוטוסינתטיים אנוקסוגניים נבדלים גם הם מצינוקצריה בכך שאין להם כלורופיל לספיגת אור. הם מכילים חיידקית-כלורופילהמסוגלת לספוג אורכי גל קצרים יותר מאשר כלורופיל. כיוון שכך, חיידקים עם בקטריוכלורופיל נוטים להימצא באזורים ימיים עמוקים בהם אורכי גל קצרים יותר מסוגלים לחדור.
דוגמאות לחיידקים פוטוסינתטיים פוטנציאליים חמצן כוללים חיידקים סגולים ו חיידקים ירוקים. תאים חיידקיים סגולים מגיעים בתוך א מגוון צורות (כדורי, מוט, ספירלה) ותאים אלה עשויים להיות תנועתיים או לא תנועתיים. חיידקי גופרית סגולים נמצאים בדרך כלל בסביבות מימיות ובמעיינות גופרית בהן קיים מימן גופרתי ונמצא חסר חמצן. חיידקים סגולים שאינם גופרתיים משתמשים בריכוזים נמוכים יותר של גופריתי מאשר חיידקי גופרית סגולים ומפקידים גופרית מחוץ לתאים שלהם במקום בתוך התאים שלהם. תאים חיידקיים ירוקים הם בדרך כלל כדוריים או בצורת מוט, והתאים הם בעיקר לא תנועתיים. חיידקי גופרית ירוקים משתמשים בגופרית או בגופרית לצורך פוטוסינתזה ואינם יכולים לשרוד בנוכחות חמצן. הם מפקידים גופרית מחוץ לתאים שלהם. חיידקים ירוקים משגשגים בבתי גידול מימיים עשירים בגופרית ולפעמים יוצרים פריחות ירקרקות או חומות.