Los cloroplastos, que sólo existen en las células vegetales, son normalmente voluminosos y perfectamente visibles en la célula con la ayuda de un microscopio ordinario. Su estructura general recuerda la de las mitocondrias: dos membranas, una externa y otra interna, que forman numerosos repliegues. Se caracterizan por tener un pigmento de color verde, la clorofila, que se acumula en unos apilamientos de membranas: los grana (en singular, granum). La clorofila origina, en el cloroplasto, un conjunto de reacciones llamadas fotosíntesis, que permiten a la célula vegetal efectuar la síntesis de glúcidos. Utilizando la energía luminosa, los cloroplastos llevan a cabo esta síntesis a partir del agua y del gas carbónico (CO2) de la atmósfera, que representa la fuente de carbono. A lo largo de las reacciones, se libera oxígeno. El balance de la fotosíntesis se puede resumir así:
Energía luminosa + Agua + Gas Carbónico—» Glucosa + Oxígeno.
Este balance, es exactamente la inversa del resultante de las funciones mitocondriales. Yuxtaponiendo ambos se comprueba esquemáticamente que la energía química recogida al nivel de las mitocondrias proviene de la energía luminosa, en particular de la solar. El cloroplasto, pues, desempeña el papel fundamental de captar la energía solar y transformarla en energía química utilizable por la "materia viva".
La glucosa sintetizada en la fotosíntesis origina una macromolécula glucídica, el almidón, que se almacena en los cloroplastos de las células en que ha sido fabricado o en otras células como por ejemplo, en el caso de la papa, en la que la fotosíntesis se efectúa en las hojas y el almidón se almacena en tubérculos subterráneos.
