Bei Chloroplasten (griech. chloros = grün) handelt es sich um jene Organellen, die den Pflanzen und Algen ihre typisch grüne Farbe verleihen. In den Chloroplasten findet die Synthese des grünen Farbstoffs Chlorophyll statt, der das Sonnenlicht absorbiert und zum Reaktionszentrum der Pflanze weiterleitet. Im Verlauf der Photosynthese synthetisiert die Pflanze ebenda aus den anorganischen Stoffen Wasser und Kohlenstoffdioxid (in Verbindung mit dem Sonnenlicht) ihre benötigten organischen Substanzen. Damit zählen Pflanzen zu den autotrophen (griech. auto = selbst; tropho = ernähren) Lebewesen, denn sie ernähren sich durch die Produktion von Glucose gewissermaßen selbst. Tiere hingegen sind heterotrophe Lebewesen und daher auf die Photosyntheseleistung der Pflanzen angewiesen. Um die für ihr Überleben wichtigen organischen Bausteine herstellen zu können, muss dem Organismus "von Außen" Nahrung zugeführt werden.

Einzelne Chloroplasten sind etwa 5-6 µm (Mikrometer) lang. Wie die Mitochondrien und der Zellkern sind auch Chloroplasten von zwei halbdurchlässigen Zellmembranen umschlossen, wodurch Abgabe und Aufnahme von Substanzen (z.B. Wasser) ermöglicht wird. Diese Doppelmembran lässt sich durch die sogenannte Endosymbiontenhypothese erklären, die den aktuellen Stand der Forschung zur Entstehung der Eukaryoten darstellt. Hiernach sind Chloroplasten durch die Einwanderung von Cyanobakterien in die Vorläufer von pflanzlichen Zellen entstanden. Bedeutet, dass Chloroplasten einst autonome, photosynthesebetreibende Bakterien waren und im Verlauf der Phylogenese von den Vorläuferzellen der Pflanzen durch z.B. Phagozytose aufgenommen wurden.

Zwischen den beiden Membranen befindet sich der Intermembranraum. Die innere Membran der Chloroplasten ist nach Innen gestülpt und bildet die Thylakoide. Die Thylakoide bilden Stapel, die als Grana bezeichnet werden; hier findet die für die Photosynthese entscheidende Lichtreaktion statt. Im Inneren der Chloroplasten befindet sich das Stroma, das Cytosol der Chloroplasten. Im Stroma befinden sich auch die DNA und die Ribosomen der Chloroplasten. Genau wie die Mitochondrien besitzen auch die Chloroplasten eine eigene (ringförmige) DNA. Chloroplasten replizieren sich unabhängig vom Zellzyklus der übrigen Zelle und stellen somit ein autonomes Organell dar. All diese Fakten sind weitere Argumente für die Endosymbiontentheorie.

Die Hauptfunktion der Chloroplasten ist das Betreiben der Photosynthese. Aus diesem Grund befinden sich diese Organellen auch nicht in allen Pflanzenzellen; sie liegen hauptsächlich in den grünen, oberen Teilen der Pflanze vor. Eine Pflanzenzelle kann einen einzigen Chloroplast oder auch mehrere enthalten. Die Photosynthese findet an den Thylakoidmembranen der Granula statt. Hier befinden sich sowohl das Chlorophyll als auch die Fotosysteme. Mithilfe der Chloroplasten kann Sonnenlicht als Form von Energie verwendet werden, um aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Zucker (Glucose) und Sauerstoff herzustellen. Es werden also aus anorganischen Substanzen, organische Stoffe synthetisiert. Der bei der Photosynthese entstehende Zucker (Glucose) wird zuerst im Stroma als Stärkekorn gespeichert und später weitertransportiert.