C4植物葉片的維管束薄壁細胞較大,其中含有許多較大的葉綠體,葉綠體沒有基粒或基粒發育不良；維管束鞘的外側密接一層成環狀或近於環狀排列的葉肉細胞,組成了“花環型”(Kranz type)結構.這種結構是C4植物的特徵.葉肉細胞內的葉綠體數目少,個體小,有基粒.維管束鞘薄壁細胞與其鄰近的葉肉細胞之間有大量的胞間連絲相連.C3植物的維管束鞘薄壁細胞較小,不含或很少葉綠體,沒有“花環型”結構,維管束鞘周圍的葉肉細胞排列鬆散.C4植物透過磷酸烯醇式丙酮酸固定二氧化碳的反應是在葉肉細胞的細胞質中進行的,生成的四碳雙羧酸轉移到維管束鞘薄壁細胞中,放出二氧化碳,參與卡爾文迴圈,形成糖類,所以甘蔗、玉米等C4植物進行光合作用時,只有維管束鞘薄壁細胞形成澱粉,在葉肉細胞中沒有澱粉.而水稻等C3植物由於僅有葉肉細胞含有葉綠體,整個光合過程都是在葉肉細胞裡進行,澱粉亦只是積累在葉肉細胞中,維管束鞘薄壁細胞不積存澱粉. C4植物具有CO2泵可以 透過C的固定轉化 以達到曾加CO2濃度的的目的 C4植物所具備的PEP羧化酶對CO2具有很強的親合力，可以促使PEP把大氣中濃度很低的CO2固定下來，並且使C4集中到維管束鞘細胞內的葉綠體中，供維管束鞘細胞內葉綠體中的C3途徑利用

C4植物中,存在一個CO2泵的機制。

從結構上來看： C4植物葉片的維管束薄壁細胞較大，其中含有許多較大的葉綠體，葉綠體沒有基粒或基粒發育不良,有利於光合作用的進行。從生理上來看： 與C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性較強，光呼吸很弱有關。由於磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶對CO2的親和力大，所以，C4植物能夠利用低濃度的二氧化碳，而C3植物不能。