並不是所有的葉綠素合成都需要光的參與。

在被子植物中，這步反應是依賴光的；而在裸子植物、藻類和光合細菌中，含有不依賴於光的原葉綠素酯還原酶，可以在黑暗中合成葉綠素。

大部分光合生物都含有某種形式的葉綠素，高等植物、藻類和藍細菌含有葉綠素，厭氧光合細菌含有細菌葉綠素。

葉綠素分子都含有一個四吡咯環，中心結合一個Mg原子。末端還有一個長鏈烴，所以葉綠素分子是疏水的。不同的葉綠素分子環上基團不同。葉綠素a和葉綠素b只在一個支鏈上有差別，前者是甲基，後者是甲醯基。細菌葉綠素與葉綠素a相比，也是在支鏈上有不同修飾。具體結構如下圖所示：

葉綠素分子同血紅素一樣，都含有一個四吡咯環（卟啉），二者的生物合成有很多步驟相似。葉綠素四吡咯環結合Mg原子；血紅素結合Fe原子。另外，一個二十碳的疏水鏈（即植醇）與葉綠素的四吡咯環結合，使之非極性化。

透過同位素標記實驗、酶學研究和突變體分析，目前已經對葉綠素生物合成的途徑有了詳細的瞭解。

葉綠素和血紅素的生物合成前體是ALA（氨基乙醯丙酸）。植物和藍細菌中，穀氨酸在有tRNA參與的反應中生成ALA。儘管在植物和動物中ALA的生物合成不盡相同，但由ALA生成原嚇啉IX的步驟是相同的。兩分子由穀氨酸合成的δ氨基乙醯丙酸（ALA）反應生成膽色素原（PBG）。4個PBG分子形成原卟啉IX的環狀結構，這裡是葉綠素和血紅素合成的分支點葉綠素合成的第一步是由鎂螯合酶插入Mg離子。

原卟啉IX在Fe螯合酶的作用下，將Fe原子插入四吡咯環中心，就形成血紅素。同樣，在Mg螯合酶的作用下，Mg原子插入四吡咯環中心，則形成Mg-原卟啉,之後形成原葉綠素酯，再還原生成葉綠素酯。葉綠素a的合成還需要進一步修飾，其中包括加上植醇鏈。被子植物葉綠素合成需要光依賴的原葉綠素酯還原酶，葉綠素b的合成以葉綠素a為前體，但這個過程還不是很清楚。

在被子植物中，這步還原反應是依賴光的；而在裸子植物、藻類和光合細菌中，含有不依賴於光的原葉綠素酯還原酶，故而可以在黑暗中合成葉綠素。

葉綠素合成的最後一步就是疏水植醇鏈的酯化作用。不同的葉綠素在支鏈結構和吡咯環的飽和程度上有所不同。比如，葉綠素b是由加氧酶將葉綠素a的甲基轉化為甲醯基形成的。這種結構上的微小改變使它們的吸收性質發生了很大改變。

另外，葉綠素與光合膜上蛋白質的非共價結合也會影響其對光的吸收。葉綠素在430nm(藍光)和680nm(紅光)吸收較強，而對綠色光吸收較弱，所以更多綠光反射回來，使葉片呈現綠色。