17世紀以前，普遍認為植物生長所需的全部元素是從土壤中獲得的。
17世紀中葉，荷蘭科學家Van Helmont進行了柳樹盆栽實驗。連續5年只澆水，柳樹重量增加了75 kg，土壤質量只減少了60 g。因此，他錯誤地認為柳樹生長所需的物質主要不是來自土壤，而是來自灌溉土壤的水。
1771年，英國牧師、化學家J. Priestley進行密閉鐘罩試驗。他發現有植物存在的密閉鐘罩內蠟燭不會熄滅，老鼠也不會窒息死亡。于是在1776年，他提出植物可以“凈化”空氣。但是他不能多次重復他的實驗，即表明植物并不總是能夠使空氣“凈化”。
荷蘭醫生J. Ingenhousz在Priestley研究的基礎上進行了多次實驗，發現Priestley實驗不能多次重復的原因是他忽略了光的作用，植物只有在光下才能“凈化”空氣。以上3位科學家便是光合作用研究的先驅，一般以J．Priestley為光合作用的發現者，把1771年定為光合作用的發現年。
1782年，瑞士人Jean Snebier用化學方法發現：CO2是光合作用必需物質，O2是光合作用產物。
1804年，瑞士人N. T. De Saussure通過定量實驗證明：植物所產生的有機物和所放出的總量比消耗的CO2多，進而證實光合作用還有水參與反應。
1864年J. V. Sachs發現照光葉片遇碘會變藍，證明光合作用形成碳水化合物（淀粉）。
19世紀末，證明光合作用的原料是空氣中的CO2和土壤中的H2O，能源是太陽輻射能，產物是糖和O2。
20世紀初，光合作用的分子機理有了突破性進展，里程碑式的工作主要是：Wilstatter等（1915）由于提純葉綠素并闡明其化學結構獲得諾貝爾獎。
隨后，英國的Blackman和德國的O. Warburg等人用藻類進行閃光試驗證明：光合作用可以分為需光的光反應（light reaction）和不需光的暗反應（dark reaction）兩個階段。 [1]
1932年，R. Emersen和W. Arnold通過小球藻（chlorella）懸浮液做閃光試驗定義了“光合單位”（photosynthetic unit），即釋放1分子或同化1分子CO2所需的2500個葉綠素的分子數目。隨后在1986年，Hall等人指出：光合單位應是包括兩個反應中心的約600個葉綠素分子（300×2）以及連結這兩個反應中心的光合電子傳遞鏈。而多數人贊同霍爾的看法，即：所謂的“光合單位”，就是指存在于類囊體膜上能進行完整光反應的最小結構單位。
1940年代～1950年代末，M. Calvin等用14C研究光合碳同化，闡明了CO2轉化為有機物的生化途徑。M. Calvin于1961年獲得諾貝爾獎。之后相繼確定了CAM途徑（M. Thomas，1960）和C4途徑（M. D. Hatch和C. B. Slack，1966）。
1954年，美國科學家D. I. Arnon等在給葉綠體照光時發現，當向體系中供給無機磷、和時，體系中就會有和產生。同時，只要供給和，即使在黑暗中，葉綠體也可將CO2轉變為糖。因此，得出結論：光反應的實質在于產生“同化力”（assimilatory power）去推動暗反應的進行，而暗反應的實質在于利用“同化力”將無機碳（CO2）轉化為有機碳（CH2O）。
1957年，Emerson觀察到小球藻在用遠紅光照射時補加了一點稍短波長的光（如650 nm的光），則量子產額比這兩種波長的光單獨照射的總和還要高。這種在長波紅光之外再加上較短波長的光促進光合效率的現象被稱為雙光增益效應，或叫愛默生增益效應（Emerson enhancement effect）。后來才知道，這是因為光合作用需要兩個光化學反應的協同作用。
1960年，Hill等人提出了雙光系統（two photosystem）的概念，把吸收長波光的系統稱為光系統（photosystemⅠ，PSⅠ），吸收短波長光的系統稱為光系統Ⅱ（photosystemⅡ，PSⅡ），推動了PSⅠ和PS的分離、純化等生物化學與分子生物學的研究。
1965年，R. B. Woodward因全合成葉綠素分子等工作獲得了諾貝爾獎。
1980年代初，P. Mitchell提出化學滲透假說。Jagendorf等用葉綠體進行光合磷酸化分階段研究，證明光合磷酸化的高能態就是化學滲透假說中的跨膜質子梯度。這不僅使人們了解光合作用中能量轉換機制，并且導致將質子動力勢與離子運轉、類囊體結構動態變化和能量轉換反應調控過程聯系起來研究。
1980年代末期，Deisenhofer等測定了光合細菌反應中心結構，取得了解膜蛋白復合體細節及光合原初反應研究的突出進展，獲得了1988年的諾貝爾獎。
1992年，Marcus因研究包括光合作用電子傳遞在內的生命體系的電子傳遞理論而獲得諾貝爾獎。
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動態結構與反應機理研究獲得了重大進展。Walker和Boyer獲得了1997年的諾貝爾獎。
中國的光合作用研究自20世紀50年代開始，取得了長足的進展。如中國科學院上海植物生理研究所在光合作用能量轉換、光合碳代謝的酶學研究等方面，中國科學院植物研究所在光合作用的原初反應和光合色素蛋白復合體研究等方面都有所發現和創新。
盡管光合作用研究歷史不算長，但經過眾多科研工作者的努力探索，已取得了舉世矚目的進展，為指導農業生產提供了充分的理論依據。