光合作用是生物利用光能和还原剂，使二氧化碳合成碳水化合物的化学反应。大部分的植物会在反应中释放氧气（副产物）。
第一个行光合作用的生物可能以氢或电子为还原剂，不像现代植物使用水。可能是最早光合生物的化石有34亿年的历史。
有氧光合作用主要的代谢途径有C3类二氧化碳固定、 C4类二氧化碳固定和CAM光合作用。C3是最古老常见的形式，需经过卡尔文循环，C4和CAM需要的水分较少，可能是适应环境的演化结果。
现代大多数原核生物的光合作用以水为电子予体（英语：electron donor），水在光合作用中心体被氧化后会产生O2；然而，早期的光合作用可能不使用水，也不产生氧气。无氧光合作用的现存例子有绿硫菌、紫硫菌、绿非硫菌及紫非硫菌：绿硫菌、紫硫菌可能使用氢和硫作为水的替代品；绿色非硫菌利用数种包括氨基酸在内的有机酸；紫色非硫菌使用有机分子。
有氧光合作用确切何时出现仍不能确定。古代的蓝藻最先开始以水作为光合作用的还原剂，地球上的氧气因此突然大量增加（现代大气中的氧气主要来源于生物行有氧光合作用），被称为大氧化事件，从地质纪录推测这个转变大约在24.5-23.2亿年前或者更早发生。
20亿年前已经出现多样化的蓝菌生物群，为整个元古宙（25-5.43亿年前）最主要的初级生产者，它们得以蓬勃发展的一个原因是当时海洋的化学成分利于可固氮的光合自营生物生存。绿藻在元古代末期也成为大陆架上主要初级生产者的一员，但直到中生代之后才像现代一般广泛分布。蓝藻从古到今作为海洋环流的主要生产者、生物固氮剂，还演化为海藻的色素体，对海洋生态系至关重要。
地球光合作用时间线
叶绿体与蓝菌都有环状的染色体、原核生物的核糖体、类似的DNA，而且它们的光合作用中心体的蛋白质很类似。由于叶绿体与蓝菌有许多相似之处，内共生假说认为叶绿体可能源自被早期的真核细胞吞入细胞内后与细胞共生的蓝菌。
叶绿体含有独立于细胞核的DNA，可自行制造一部分蛋白质。CoRR假说（英语：CoRR hypothesis）提出，叶绿体基因会被其产物的氧化还原状态所调控；由于不同基因片段对应的产物在细胞内的特定位置可更具效率的调控，经过长期天择，叶绿体的基因有些移到细胞核（因此现代植物细胞可以制造部分叶绿体所需的蛋白质），有些继续留在叶绿体。
有些动物会与光合藻类形成共生关系，如珊瑚、海绵和海葵，可能是由于这些动物的构造较简单，体表面积与体积的比例较大。此外，一些海洋软体动物Elysia viridis和绿叶海天牛也从食物中获得叶绿体并储存在体内保持共生关系，可以在只进行光合作用的状态下存活数月 ；来自植物细胞核的一些基因甚至已经转移到蛞蝓的细胞核中，这样蛞蝓的细胞就可以制造叶绿体所需的蛋白质。
光合作用涉及复杂的化学途径，由一系列的酶和辅酶沿途推动。RuBisCO酶负责固碳，将二氧化碳附着在一个碳基分子上，形成可供植物使用的糖，并释出一个氧分子。RuBisCO的效率低，而且会行光呼吸而耗费能量。
2的过程，称为光呼吸。这在能量上是昂贵的，因为植物必须花费能量将光呼吸的产物转回可以与二氧化碳反应的形式。
C4代谢具有独特的碳浓缩机制（carbon concentrating mechanisms），增加RuBisCO周围的二氧化碳浓度，从而促进光合作用并减少光呼吸，可适应高温环境。C4的演化与基因表达有关。现在大约有有7600种C4植物，约占所有陆生植物物种的3%，且所有都是被子植物。
大部分行C4代谢的植物具有克兰兹解剖构造（Kranz anatomy），将RuBisCO集中在被叶肉细胞包围的髓鞘细胞中，以避免RuBisCO与氧气接触行光呼吸，并通过一系列有机分子将二氧化碳从外部输入髓鞘。如此一来，也可以提高RuBisCO周围的二氧化碳浓度，使C4代谢的执行效率比其他代谢途径更高。C4光合作用中，碳被一种叫做PEP羧化酶的酶固定，像所有参与C4光合作用的酶一样，它起源于非光合作用的祖传酶。
CAM可适应干旱。 CAM植物能够在白天关闭大部分气孔，减少蒸散作用造成的水分流失。气孔在凉爽潮湿的夜晚打开，收集CO2，以四碳酸苹果酸的形式储存起来，然后在白天的光合作用中使用。预先收集的CO2集中在RuBisCO酶周围，提高光合作用效率。
C4和CAM两种同样提升了RuBisCO效率的代谢方式，均各自在没有祖先与后代关系的不同群体中独立演化了多次--事实上，仅C4就在18个不同的科中出现了62次。特定支系的植物似乎拥有较容易演化出C4代谢的特征，导致C4特别容易出现在某些支系中，例如有维管束鞘的植物。全基因组和单个基因的重复也与C4的进化有关。导致C4表型的许多潜在的进化途径是可能的，并且已经用贝叶斯推断法描述，证实了非光合作用的适应性往往为C4的进一步演化提供了垫脚石。
C4植物大多是草，而CAM存在于被多肉植物和仙人掌。这两种特征似乎是在2500万～3200万年前（渐新世）出现的，但直到600万~700万年前（中新世）它们才具有生态意义。一些炭化化石保存了克兰兹解剖结构的组织痕迹，具有完整的束鞘细胞，证明当时C4代谢已经出现。
虽然C4提高了RuBisCO的效率，但碳浓缩是高度耗能的，意味着C4植物仅在高温和低降雨量的环境中胜过C3生物。C4植物也需要大量阳光才能长的好，如果没有野火清除遮阳的树木和灌木，C4植物就没有生长空间。 目前似乎无法解释为什么C4在演化史的这么后期才出现，而且又不连续的兴起了许多次。石炭纪（约3亿年前）地球的氧气量几乎足以允许自燃且二氧化碳浓度极低，却没有发现C4的同位素特征，而且也没有确切的因素可以解释中新世C4同位素的突然上升。
中新世的大气和气候是相对稳定的。二氧化碳可能在1400万到900万年前逐渐增加，然后稳定到与全新世相似的浓度，这表明二氧化碳不是C4演化的关键原因。草（产生最多C4的群体）可能已经存在超过6000万年，因此有足够的时间演化出C4代谢 ，在不同的群体中独立。南亚有强烈的气候变化迹象，干旱增加会使火灾频率和强度增加，因此干燥可能是导致C4代谢出现的重要因素，然而这难以吻合北美的记录。 有可能这一信号完全是生物性的，是由火灾和食草动物驱动的草类进化加速迫使草增加风化作用和固碳作用，造成大气中的二氧化碳大幅下降。最后，有证据表明，C4开始于900万到700万年前只适用于北美洲，新出现的证据表明南美洲的草原至少在1500万年前就已经以C4代谢为主流。
