หน้าที่หลักของคลอโรพลาสต์คือการสังเคราะห์ด้วยแสง (photosynthesis) ซึ่งหมายถึงการสังเคราะห์อาหารในรูปน้ำตาลจากการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ (fix carbondioxide) โดยแบ่งปฏิกิริยาออกเป็น 2 ปฏิกิริยาย่อย คือ light reaction และ carbondioxide fixation

1. light reaction เป็นปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงด้วยการใช้แสงไปกระตุ้นให้อิเล็กตรอนจากคลอโรฟิลล์ซึ่งได้จากน้ำ และได้ผลิตภัณฑ์เป็นออกซิเจน (O2) ขึ้น อิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงนี้จะมีการขนส่งอิเล็กตรอนไปยังตัวรับอิเล็กตรอนเป็นลูกโซ่ (เช่นเดียวกันกับที่เกิดขึ้นในไมโทคอนเดรีย) โดยบริเวณที่ใช้ในการขนส่งอิเล็กตรอนนั้นเกิดขึ้นที่บริเวณเมมเบรนของ thylakoid และขณะเดียวกันจะมีการขับเคลื่อนโปรตอนผ่าน thylakoid membrane และทำให้เกิดการสังเคราะห์ ATP ขึ้นที่บริเวณ stroma ในขั้นตอนสุดท้ายของการขนส่งอิเล็กตรอนนั้นจะส่งอิเล็กตรอนให้ NADP+ พร้อมกับการเติม H+ ทำให้ได้ NADPH ซึ่งเป็นสารที่มี reducing power สูง เพื่อนำไปใช้ในปฏิกิริยาถัดไปเช่นเดียวกับ ATP โดยสรุปนั้นในปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาที่ใช้พลังงานจากแสงโดยตรง และได้ผลิตภัณฑ์เป็น ATP, NADPH และ O2
2. carbondioxide fixation เป็นการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์โดยมีเอนไซม์สำคัญคือ RuBisco ที่ต้องใช้พลังงานจาก ATP และ NADPH จากปฏิกิริยาแรก เพื่อให้ได้สารที่อยู่ในรูปน้ำตาลหรือกรดไขมัน หรือ กรดอะมิโน เพื่อนำไปใช้ในกิจกรรมต่าง ๆ ของพืชต่อไป และมีบริเวณที่เกิดปฏิกิริยาอยู่ที่ stroma ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาที่ใช้พลังงานจากแสงในทางอ้อม

การเกิดปฏิกิริยาย่อยของการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นมีกลไกในการควบคุมที่ค่อนข้างซับซ้อน โดยพบว่าเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์หลายตัวนั้นไม่สามารถทำการเร่งปฏิกิริยาได้ในภาวะที่ไม่มีแสง และสามารถกลับมาทำงานเร่งปฏิกิริยาได้อีกครั้งหนึ่งเมื่อมีแสง