植物葉綠體的類囊體膜或光合細菌的載色體在光下催化腺二磷（ADP）與磷酸（Pi）形成腺三磷（ATP）的反應。有兩種型別：迴圈式光合磷酸化和非迴圈式光合磷酸化。前者是在光反應的迴圈式電子傳遞過程中同時發生磷酸化，產生ATP。後者是在光反應的非迴圈式電子傳遞過程中同時發生磷酸化，產生ATP。在非迴圈式電子傳遞途徑中，電子最終來自於水，最後傳到氧化型輔酶Ⅱ（NADP+）。因此，在形成ATP的同時，還釋放了氧並形成還原型輔酶Ⅱ （NADPH）。

在光合作用的光反應中,除了將一部分光能轉移到NADPH中暫時儲存外,還要利用另外一部分光能合成ATP,將光合作用與ADP的磷酸化偶聯起來,這一過程稱為光合磷酸化。它同線粒體的氧化磷酸化的主要區別是∶氧化磷酸化是由高能化合物分子氧化驅動的，而光合磷酸化是由光子驅動的。

光合磷酸化的機理同線粒體進行的氧化磷酸化相似,同樣可用化學滲透學說來說明。在電子傳遞和ATP合成之間, 起偶聯作用的是膜內外之間存在的質子電化學梯度。類囊體膜進行的光合電子傳遞與光合磷酸化需要四個跨膜複合物參加∶光系統Ⅱ、細胞色素b6/f複合物、光系統Ⅰ和ATP合酶。有三個可動的分子(質子)∶質體醌、質體藍素和H+質子將這四個複合物在功能上連成一體:即完成電子傳遞、建立質子梯度、合成ATP 和NADPH