Датою відкриття процесу фотосинтезу вважають 1771 рік. Англійський вчений Д. Прістлі звернув увагу на зміну складу повітря внаслідок життєдіяльності тварин. У присутності зелених рослин повітря знову ставало придатним як для дихання, так і для горіння. В подальших роботах учених (Й. Інгенхауз, Ж. Сенеб'є, Н. Соссюр, Ж. Бусенго) було встановлено, що зелені рослини із повітря поглинають вуглекислий газ, із якого за участі води на світлі утворюється органічна речовина. Саме цей процес у 1877 р. німецький вчений В. Пфеффер назвав фотосинтезом. Величезне значення для розкриття суті фотосинтезу мав закон збереження енергії, сформульований Р. Майєром (1845). Згідно з цим законом, енергія, яку використовують рослини, — це енергія Сонця, яку в процесі фотосинтезу рослини перетворюють на хімічну енергію.

Загальне рівняння фотосинтезу не досить точно передає суть цього процесу, адже, згідно з цим рівнянням, можна припустити, що частина виділеного О₂ походить від СО₂, тоді як насправді весь кисень утворюється з води в ході фотолізу:

Тому доцільніше розділити його на складові частини:

де А — акцептор електронів і протонів.

Згідно з цим рівнянням, в основі суті фотосинтезу лежить окисно-відновна реакція. За участі хлорофілу та енергії сонячних квантів вода фотоокиснюється, в результаті чого виділяються кисень та водень, останній і відновлює СО₂ до рівня вуглеводів. Ці реакції відбуваються відповідно в світлову та темпову стадії фотосинтезу.

Впродовж сторіччя після відкриття Д. Прістлі (1771) фотосинтезу вчені з'ясовували його суть, встановили учасників і кінцеві продукти, що одержуються в результаті цього процесу.

Довгий час вважали загальноприйнятим, що вуглеводи утворюються з вуглецю та водню, а кисень виділяється з вуглекислоти. Ця гіпотеза, як виявилося пізніше, була абсолютно неправильною. Вперше в 1893 р. О. М. Бах передбачив, що асиміляція СО₂ в процесі фотосинтезу нічого спільного з відщепленням кисню від СО₂ не має, а пов'язана з окисно-відновним процесом, який відбувається з участю водню та гідроксилу води, причому кисень виділяється з води.

Теорію походження кисню з вуглекислого газу спростував Корнеліус Ван Ніль, який в Станфордському університеті (США) вивчав метаболізм різних фотосинтезуючих бактерій. Він з'ясував, що для фотосинтезу пурпурних сірчаних бактерій необхідний сірководень, а в результаті цього процесу всередині бактеріальних клітин нагромаджується сірка:

Після серії дослідів у 1937—1941 pp. учений зробив сміливе узагальнення: первинна фотохімічна реакція фотосинтезу полягає саме в фотодисоціації води, а не в розкладанні СО₂, й запропонував сумарне рівняння фотосинтезу:

В цьому рівнянні Н₂А може бути водою або іншим відновником. Отже, бактерії, здатні до фотосинтетичної асиміляції СО₂, за винятком ціанел, використовують H₂S, H₂, СН₃, а тому в процесі фотосинтезу не виділяють кисень. Такий тип фототрофного живлення дістав назву фоторедукції. Для вищих рослин і водоростей Н₂А — це вода. Інакше кажучи, Ван Ніль припустив, що саме вона, а не вуглекислий газ розкладається в процесі фотосинтезу. Отже, рівняння фотосинтезу тепер матиме такий вигляд:

або поетапно:

Уявлення Ван Ніля про походження кисню знайшло підтвердження в експериментах із міченим ¹⁸О₂, які незалежно в 1941 р. провели С. Рубен (США) та російські вчені О. П. Виноградов і Р. В. Тейс. За допомогою мас-спектрометричного аналізу було показано, що відношення ¹⁶О₂ до ¹⁸О₂ в кисні, який утворюється в процесі фотосинтезу, відповідає співвідношенню їх саме у воді, а не в СО₂:

Коли ж ввести ізотоп О₂ у вуглекислий газ, то рівняння набуває іншого вигляду:

Це свідчить, що новоутворена молекула води відрізняється від тих двох молекул, що вступили в реакцію (рис. 1).

Рис. 1. Фотоліз води і виділення О₂

Отже, порівняльний аналіз ізотопного складу води, вуглекислого газу та О₂, що виділяється під час фотосинтетичного процесу рослиною, підтвердив спорідненість кисню фотосинтезу з водою.

Також Р. Хілл у 1939 р. продемонстрував, що ізольовані хлоропласти здатні під час освітлення розкладати воду з виділенням О₂ за наявності відповідних акцепторів електронів, але без участі вуглекислого газу:

Відсутність реакції, в якій були б використані електрони, компенсується, як видно з реакції, введенням у систему акцептора електронів (А), або «реагента Хілла». Це можуть бути солі заліза (калій феріоксалат, калій фериціанід), бензохінон або природний акцептор електронів НАДФ⁺.

Отже, для водоростей, вищих рослин, у яких вода слугує донором електронів, підсумкове рівняння фотосинтезу матиме такий вигляд:

При цьому також запасається вільна енергія, величина якої для цього процесу приблизно 470 кДж/моль.

Під час фотосинтезу з простих неорганічних сполук (води та вуглекислого газу) синтезуються різноманітні органічні сполуки. В результаті відбувається перебудова хімічних зв'язків: замість С—О та Н—О виникають С—С та С—Н зв'язки, в яких електрони займають більш високий енергетичний рівень.

Дослідження свідчать також, що майже весь кисень атмосфери має фотосинтетичне походження. Отже, процеси дихання і горіння стали можливі лише після того, як виник фотосинтез. Все це й свідчить про космічне значення зеленої рослини. Підсумкова реакція фотосинтезу може мати вигляд окисно-відновних реакцій, одна з яких фотодисоціює воду, а інша — відновлює СО₂ до вуглеводів, але вже без участі квантів сонячних променів:

І дійсно, нині відомо, що фотосинтез відбувається в дві стадії — світлову та темнову.