光合成は、光エネルギーを化学エネルギーに変換し、二酸化炭素と水を有機分子に変換する過程です。 このプロセスはほとんどすべての藻類で発生し、実際、光合成について知られていることの多くは、緑藻類のクロレラの研究によって初めて発見されました。
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光合成は明反応と暗反応（またはカルビンサイクル）の両方から構成されます。 暗反応では、リブロース二リン酸カルボキシラーゼという酵素によって、二酸化炭素がリン酸基が2つ付いた炭素数5の糖であるリブロース二リン酸に結合される。 これが、糖の生成に至る複雑な過程の最初のステップとなる。 光反応の間に、光エネルギーは暗反応に必要な化学エネルギーに変換される。
多くの藻類の光反応は、陸上植物とは異なり、光を採取するために異なる色素を使用しているものがあるため、陸上植物の光反応とは異なる。 クロロフィルは主に青と赤の光を吸収するのに対し、カロテノイドは主に青と緑の光を吸収し、フィコビリタンパクは主に青または赤の光を吸収する。 光の吸収量は藻類の色素組成と濃度に依存するため、ある波長の光をより多く吸収する藻類は、その波長の光エネルギーをより多く光合成によって化学エネルギーに変換できる可能性がある。 すべての藻類は、クロロフィルaを用いて光合成活性の高い光を集めている。 緑藻類とユーグレナ藻類はクロロフィルbを使用する。残りの藻類は、クロロフィルaに加えて、他のクロロフィル、クロロフィリド、カロテノイド、フィコビリタンパク質を様々に組み合わせ、クロロフィルaやbで吸収されないスペクトルの波長からさらに光を集めている。 例えば、色素藻類、渦鞭毛藻類、クリプトモナド類（Cryptophyceae）、微量物藻類などもクロロフィロイドを使用している。 クロロフィル類は、クロロフィルの特徴である脂溶性の長いフィトールの尾がない点で、真のクロロフィルとは異なる(しばしば誤ってクロロフィル類と呼ばれる)。 緑藻類の中には、光合成活性光の採取にカロテノイドを用いるものもあるが、双子葉藻類と有色藻類はほとんどカロテノイドを用いている。 フィコビリタンパク質は、青色（フィコシアニン）または赤色（フィコエリスリン）に見えるもので、紅藻類やクリプトモナドに含まれる
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