在光合细菌 中，用于光合作用收集光的蛋白质嵌入在细胞膜中。在其最简单的形式中，这涉及到包围细胞本身的膜。然而，膜可能会紧密折叠成称为[[类囊体]]的圆柱形片状结构，或者聚集成称为胞内膜的圆形囊泡。这些结构可以填充细胞的大部分内部，使膜具有非常大的表面积，从而增加了细菌可以吸收的光量。
在植物和藻类中，光合作用发生在称为叶绿体的细胞器中进行。一个典型的植物细胞大约含有10到100个叶绿体。叶绿体由一个膜包围。这个膜由磷脂内膜、磷脂外膜和膜间空间组成。被膜包围的是一种水性流体，称为基质。嵌入在基质中的是堆叠的类囊体（基粒），这是光合作用的发生地点。类囊体呈扁平的圆盘状。类囊体本身被类囊体膜包围，而在封闭的体积内是一个空腔或类囊体空间。在类囊体膜中嵌入的是光合系统的整合和周边膜蛋白复合物。
植物主要使用叶绿素这种色素来吸收光。绿色光谱部分不被吸收而是被反射，这就是大多数植物呈绿色的原因。除了叶绿素，植物还使用[[0. 类胡萝卜素（carotenoid）]] 和黄素类等色素。藻类也使用[[0. 叶绿素]]，但存在各种其他色素，如绿藻中的藻蓝蛋白、[[0. 类胡萝卜素（carotenoid）]]素和黄素类，[[0. 红藻门]]中的藻红蛋白，以及[[0. 褐藻门（Phaeophyta）]]和[[0. 硅藻纲（Diatomeae）]]中的墨角藻黄素，导致它们呈现出丰富多彩的颜色。
这些色素在植物和藻类中嵌入在称为天线蛋白的复合物中（参考[[0. 天线系统]]）。在这样的蛋白质中，色素被排列以协同工作。这种蛋白质的组合也称为光收集复合物。
尽管植物绿色部分的所有细胞都含有[[0. 叶绿体（Chloroplast）]]，但大多数叶绿体都存在于专门适应的叶片结构中。适应强阳光和干旱条件的一些物种，如许多大戟科和仙人掌科植物，它们的主要光合器官在它们的茎中。叶片内部组织的细胞，称为叶肉，每平方毫米的叶片可以含有45万到80万个叶绿体。叶片表面覆盖着一层防水蜡质角质层，保护叶片免受过多水分蒸发，并减少对紫外光或蓝光的吸收，以最小化加热。透明的表皮层允许光透过到栅栏状叶肉细胞，在那里进行大部分的光合作用。