17世纪以前，普遍认为植物生长所需的全部元素是从土壤中获得的。
17世纪中叶，荷兰科学家Van Helmont进行了柳树盆栽实验。连续5年只浇水，柳树重量增加了75 kg，土壤质量只减少了60 g。因此，他错误地认为柳树生长所需的物质主要不是来自土壤，而是来自灌溉土壤的水。
1771年，英国牧师、化学家J. Priestley进行密闭钟罩试验。他发现有植物存在的密闭钟罩内蜡烛不会熄灭，老鼠也不会窒息死亡。于是在1776年，他提出植物可以“净化”空气。但是他不能多次重复他的实验，即表明植物并不总是能够使空气“净化”。
荷兰医生J. Ingenhousz在Priestley研究的基础上进行了多次实验，发现Priestley实验不能多次重复的原因是他忽略了光的作用，植物只有在光下才能“净化”空气。以上3位科学家便是光合作用研究的先驱，一般以J．Priestley为光合作用的发现者，把1771年定为光合作用的发现年。
1782年，瑞士人Jean Snebier用化学方法发现：CO2是光合作用必需物质，O2是光合作用产物。
1804年，瑞士人N. T. De Saussure通过定量实验证明：植物所产生的有机物和所放出的总量比消耗的CO2多，进而证实光合作用还有水参与反应。
1864年J. V. Sachs发现照光叶片遇碘会变蓝，证明光合作用形成碳水化合物（淀粉）。
19世纪末，证明光合作用的原料是空气中的CO2和土壤中的H2O，能源是太阳辐射能，产物是糖和O2。
20世纪初，光合作用的分子机理有了突破性进展，里程碑式的工作主要是：Wilstatter等（1915）由于提纯叶绿素并阐明其化学结构获得诺贝尔奖。
随后，英国的Blackman和德国的O. Warburg等人用藻类进行闪光试验证明：光合作用可以分为需光的光反应（light reaction）和不需光的暗反应（dark reaction）两个阶段。
1932年，R. Emersen和W. Arnold通过小球藻（chlorella）悬浮液做闪光试验定义了“光合单位”（photosynthetic unit），即释放1分子或同化1分子CO2所需的2500个叶绿素的分子数目。随后在1986年，Hall等人指出：光合单位应是包括两个反应中心的约600个叶绿素分子（300×2）以及连结这两个反应中心的光合电子传递链。而多数人赞同霍尔的看法，即：所谓的“光合单位”，就是指存在于类囊体膜上能进行完整光反应的最小结构单位。
1940年代～1950年代末，M. Calvin等用14C研究光合碳同化，阐明了CO2转化为有机物的生化途径。M. Calvin于1961年获得诺贝尔奖。之后相继确定了CAM途径（M. Thomas，1960）和C4途径（M. D. Hatch和C. B. Slack，1966）。
1954年，美国科学家D. I. Arnon等在给叶绿体照光时发现，当向体系中供给无机磷、和时，体系中就会有和产生。同时，只要供给和，即使在黑暗中，叶绿体也可将CO2转变为糖。因此，得出结论：光反应的实质在于产生“同化力”（assimilatory power）去推动暗反应的进行，而暗反应的实质在于利用“同化力”将无机碳（CO2）转化为有机碳（CH2O）。
1957年，Emerson观察到小球藻在用远红光照射时补加了一点稍短波长的光（如650 nm的光），则量子产额比这两种波长的光单独照射的总和还要高。这种在长波红光之外再加上较短波长的光促进光合效率的现象被称为双光增益效应，或叫爱默生增益效应（Emerson enhancement effect）。后来才知道，这是因为光合作用需要两个光化学反应的协同作用。
1960年，Hill等人提出了双光系统（two photosystem）的概念，把吸收长波光的系统称为光系统（photosystemⅠ，PSⅠ），吸收短波长光的系统称为光系统Ⅱ（photosystemⅡ，PSⅡ），推动了PSⅠ和PS的分离、纯化等生物化学与分子生物学的研究。
1965年，R. B. Woodward因全合成叶绿素分子等工作获得了诺贝尔奖。
1980年代初，P. Mitchell提出化学渗透假说。Jagendorf等用叶绿体进行光合磷酸化分阶段研究，证明光合磷酸化的高能态就是化学渗透假说中的跨膜质子梯度。这不仅使人们了解光合作用中能量转换机制，并且导致将质子动力势与离子运转、类囊体结构动态变化和能量转换反应调控过程联系起来研究。
1980年代末期，Deisenhofer等测定了光合细菌反应中心结构，取得了解膜蛋白复合体细节及光合原初反应研究的突出进展，获得了1988年的诺贝尔奖。
1992年，Marcus因研究包括光合作用电子传递在内的生命体系的电子传递理论而获得诺贝尔奖。
1990年代末，催化光合作用的光合磷酸化和呼吸作用的氧化磷酸化的酶的动态结构与反应机理研究获得了重大进展。Walker和Boyer获得了1997年的诺贝尔奖。
中国的光合作用研究自20世纪50年代开始，取得了长足的进展。如中国科学院上海植物生理研究所在光合作用能量转换、光合碳代谢的酶学研究等方面，中国科学院植物研究所在光合作用的原初反应和光合色素蛋白复合体研究等方面都有所发现和创新。
尽管光合作用研究历史不算长，但经过众多科研工作者的努力探索，已取得了举世瞩目的进展，为指导农业生产提供了充分的理论依据。
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