ความรู้เกี่ยวกับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงในปัจจุบัน เป็นความรู้ที่ได้จากผลการศึกษาค้นคว้าของนักวิทยาศาสตร์หลายยุคหลายสมัยสั่งสมต่อเนื่องกันมา ทำให้ได้รับความรู้ข้อมูลและหลักฐานต่างๆ เพิ่มขึ้นเป็นลำดับ ดังนี้

1. การศึกษาค้นคว้าของ ฌอง แบบติสท์ แวน เฮลมองท์ (Jean Baptiste Van Helmont)

โดยการปลูกต้นหลิวหนัก 5 ปอนด์ในถังใบใหญ่ที่บรรจุดิน ซึ่งทำให้แห้งสนิทหนัก 200 ปอนด์แล้วปิดฝาถัง ระหว่างทำการทดลอง ได้รดน้ำต้นหลิวที่ปลูกไว้ทุกวันด้วยน้ำฝนเป็นระยะเวลา 5 ปี ต้นหลิวเจริญเติบโตขึ้นมาก เมื่อนำต้นหลิวที่ไม่มีดินติดอยู่ที่รากไปชั่งน้ำหนัก ปรากฏว่าต้นหลิวหนัก 169 ปอนด์ 3 ออนซ์ (ตัวเลขนี้ไม่ได้รวมน้ำหนักใบซึ่งร่วงไปแต่ละปี) และเมื่อนำดินในถังไปทำให้แห้งแล้วนำไปชั่ง ปรากฏว่า มีน้ำหนักน้อยกว่าดินที่ใช้ก่อนทำการทดลองเพียง 2 ออนซ์เท่านั้น

สรุปผลการทดลองว่า น้ำหนักของต้นหลิวที่เพิ่มขึ้นมาจากน้ำเพียงอย่างเดียว โดยที่เขาไม่ได้นึกถึงแก๊สในอากาศและดิน ความจริงแล้วน้ำหนักของดินที่หายไปนั้น ก็เป็นส่วนที่พืชนำไปใช้ในการดำรงชีวิตและจำเป็นต่อการเจริญเติบโต ซึ่งมีส่วนทำให้น้ำหนักเพิ่มขึ้นด้วย

2. การศึกษาค้นคว้าของ โจเซฟ พริสต์ลีย์ (Joseph Priestley)

ทำการทดลองครั้งที่ 1 โดยจุดเทียนไขไว้ในครอบแก้ว ปรากฏว่าสักครู่เทียนไขก็ดับ และเมื่อใส่หนูเข้าไปในครอบแก้ว ครู่ต่อมาหนูก็ตาย เมื่อนำหนูที่มีชีวิตไปไว้ในครอบแก้วเดิมที่เทียนไขดับ ปรากฏว่าหนูตายเกือบทันที และเมื่อจุดเทียนไขแล้วนำไปใส่ในครอบแก้วเดิมที่หนูตายอยู่แล้ว ปรากฏว่าเทียนไขดับเกือบทันที

สรุปได้ว่า การลุกไหม้ของเทียนไขและการหายใจของหนูทำให้เกิดอากาศเสีย ดังนั้น จึงทำให้เทียนไขดับและทำให้หนูตาย

การทดลองครั้งที่ 2 เอาพืชสีเขียวใส่ในครอบแก้วที่เคยจุดเทียนไขเอาไว้ก่อนแล้ว อีก 10 วันต่อมา เมื่อจุดเทียนไขในครอบแก้วนั้นใหม่ ปรากฏว่าเทียนไขลุกไหม้อยู่ได้ระยะหนึ่งโดยไม่ดับทันที

สรุปได้ว่า พืชสามารถเปลี่ยนอากาศเสียให้เป็นอากาศดีได้

3. การศึกษาค้นคว้าของ แจน อินเก็นฮูซ (Jan Ingenhousz)

ได้พิสูจน์ให้เห็นว่า การทดลองของพริสต์ลีย์จะได้ผลก็ต่อเมื่อพืชได้รับแสงสว่าง และเฉพาะส่วนสีเขียวของพืชเท่านั้นที่มีประสิทธิภาพในการเปลี่ยน "อากาศเสีย" ให้เป็น "อากาศดี" คือถ้ามีแสงสว่าง พืชสีเขียวสามารถเปลี่ยนแก๊ส CO2 เป็นสารอาหาร และ O2ได้

จากความรู้ทางวิชาเคมีซึ่งพัฒนาขึ้นอย่างรวดเร็ว ในระยะใกล้เคียงกับที่พริสต์ลีย์และอินเก็นฮูซทดลองนั้น พบว่า แก๊สที่เกิดจากการลุกไหม้ และแก๊สที่เกิดจากการหายใจออกของสัตว์ เป็นแก๊สชนิดเดียวกัน คือ คาร์บอนไดออกไซด์ ส่วนแก๊สที่ช่วยในการลุกไหม้ และใช้ในการหายใจของสัตว์ คือ ออกซิเจน แสดงว่าเมื่อพืชได้รับแสง พืชจะนำแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไป และปล่อยแก๊สออกซิเจนออกมา 

4. การศึกษาค้นคว้าของ นิโคลาส ธีโอดอร์ เดอ โซซูร์ (Nicolas Theodore de Saussure)

ได้ทำการทดลองให้เห็นว่า น้ำหนักของพืชที่เพิ่มขึ้นมากกว่าน้ำหนักของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่ได้รับ เขาจึงสรุปว่า น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นบางส่วนเป็นน้ำหนักของน้ำที่พืชได้รับ

จากการทดลองโดยการวิเคราะห์ทางเคมีในเวลาต่อมาพบว่า สารอินทรีย์ที่ได้จากการสร้างอาหารของพืช คือ สารประเภทคาร์โบไฮเดรต จากผลการศึกษาค้นคว้าจึงเขียนสรุปกระบวนการสร้างคาร์โบไฮเดรตได้ ดังนี้

5. การศึกษาค้นคว้าของ เองเกลมัน (T. W. Engelmann)

ใช้ aerobic bacteria และใช้ส่าหร่าย spirogyra ที่มีรงควัตถุเหมือนพืช เพื่อยืนยันว่าความยาวคลื่น ณ แสงสีแดง และแสงสีม่วง ทำให้เกิดการสังเคราะห์มากที่สุด คือ มีการปล่อยออกซิเจนออกมามากสุดนั่นเอง

จากการทดลองพบว่า แบคทีเรียที่ต้องการออกซิเจนมารวมกลุ่มกันที่บริเวณสาหร่ายได้รับแสงสีแดงและสีน้ำเงิน เพราะทั้งสองบริเวณนี้สาหร่ายจะให้แก๊สออกซิเจน

6. การศึกษาค้นคว้าของ แวน นีล (Van Neil)

ได้พบว่า แบคทีเรียบางชนิดสามารถสังเคราะห์ด้วยแสงได้โดยไม่ใช้น้ำ แต่ใช้ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) แทน ผลที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสงแทนที่จะได้ออกซิเจนกลับได้ซัลเฟอร์ (S)

การสังเคราะห์ด้วยแสงของแบคทีเรีย ก็เป็นหลักฐานอีกอย่างหนึ่งที่สนับสนุนว่า O2 ที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชมาจาก H2O (เนื่องจากแบคทีเรียไม่ใช้ H2O ในการสังเคราะห์ด้วยแสง จึงไม่เกิด O2 แต่เกิดซัลเฟอร์ (S) ออกมา)

แวน นีล จึงเสนอสมมติฐานว่า ในกระบวนการสร้างคาร์โบไฮเดรตของพืชนั้น น่าจะคล้ายคลึงกับการสร้างคาร์โบไฮเดรตของแบคทีเรีย คือ ในการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชโมเลกุลของน้ำถูกแยกสลายได้ออกซิเจนเป็นอิสระ

7. การศึกษาค้นคว้าของ แซม รูเบน และมาร์ติน คาเมน (Sam Ruben and Martin Kamen)

ในการทดลองเพื่อพิสูจน์ให้เห็นว่า O2 ที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสงมาจากน้ำ แซม รูเบน และมาร์ติน คาเมนได้นำสาหร่ายสีเขียวในปริมาณที่เท่าๆ กัน ใส่ลงไปในขวดแก้ว 2 ใบ คือ ก. และ ข. แล้วใส่น้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ลงไปในขวดทั้ง 2 ดังนี้

ขวด ก. ใส่ H2O ซึ่งประกอบด้วยออกซิเจน ซึ่งเป็นสารกัมมันตภาพรังสี คือ O18 แต่ใส่ CO2 ที่มี O2 ธรรมดา
ขวด ข. ใส่ CO2 ที่ประกอบด้วย O18 แต่ใส่ H2O ที่มี O2 ธรรมดา

ตั้งขวดทั้ง 2 ใบให้ได้รับแสง สาหร่ายจะสังเคราะห์ด้วยแสง เกิด O2 ขึ้น นำ O2 ที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสงแล้วมาทดสอบ พบว่า

ขวด ก. O2 ที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็น O18
ขวด ข. O2 ที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็น O2 ธรรมดา

สรุปผลการทดลองได้ว่า O2 ที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสงมาจากโมเลกุลของน้ำ

8. การศึกษาค้นคว้าของ โรบิน ฮิลล์ (Robin Hill)

การทดลองผ่านแสงเข้าไปในของผสม ซึ่งมีเกลือเฟอริกและคลอโรพลาสต์ที่สกัดออกมาจากผักโขม ปรากฏว่า เกลือเฟอริกเปลี่ยนเป็นเกลือเฟอรัส และมีออกซิเจนเกิดขึ้น แต่ถ้าในของผสมไม่มีเกลือเฟอริก ก็จะไม่เกิดแก๊สออกซิเจน

จากการทดลองของฮิลล์ สรุปได้ว่า เมื่อคลอโรพลาสต์ได้รับพลังงานจากแสง และมีสารรับอิเล็กตรอนอยู่ด้วย น้ำก็จะแตกตัวให้ออกซิเจนได้โดยไม่จำเป็นต้องมีคาร์บอนไดออกไซด์  การทดลองของฮิลล์ครั้งนี้ ก่อให้เกิดการตื่นตัวกันมาก เพราะปฏิกิริยาที่เขาทดลองนี้มีการปลดปล่อยแก๊สออกซิเจนเช่นเดียวกับพืช แต่ในการทดลองของเขาใช้เพียงคลอโรพลาสต์ ซึ่งเป็นออร์แกเนลล์ของเซลล์พืชเท่านั้น

จากการทดลองนี้จึงนำไปสู่แนวความคิดว่า ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงน่าจะมีอย่างน้อย 2 ขั้นตอนใหญ่ คือ ขั้นที่ปล่อยแก๊สออกซิเจน กับขั้นที่เกี่ยวข้องกับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ 

จากการค้นคว้าต่อมาพบว่า ในพืชมีสารที่ทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดส์หลายชนิด เช่น นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ ฟอสเฟต (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate; NADP+) 

9. การศึกษาค้นคว้าของ แดเนียล อาร์นอน (Daniel Arnon)

ได้ศึกษารายละเอียดเกี่ยวกับการทดลองของฮิลล์ อาร์นอนคิดว่า ถ้าให้สารบางอย่าง เช่น ADP, หมู่ฟอสเฟต (Pi), NADP+ และ CO2 ลงไปในคลอโรพลาสต์ที่สกัดมาได้แล้ว จะมีปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงจนได้น้ำตาลเกิดขึ้น

ต่อมาอาร์นอนได้ทำการทดลองเพื่อติดตามขั้นตอนของการเกิดปฏิกิริยา โดยควบคุมปัจจัยบางอย่างแล้วสังเกตผลการทดลองที่เกิดขึ้น อาร์นอนพบว่า ถ้าให้สารต่างๆ ดังที่กล่าวมาแล้ว ยกเว้นคาร์บอนไดออกไซด์ปรากฏว่า เกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้น ได้สารบางอย่าง แต่ไม่มีการสร้างคาร์โบไฮเดรต

อาร์นอนได้ทำการทดลองต่อไปอีก โดยให้ปัจจัยต่างๆ ดังที่ได้กล่าวมาแล้วแก่คลอโรพลาสต์ ยกเว้น CO2 และ NADP+ พบว่า เกิด ATP อย่างเดียวเท่านั้น ดังสมการ

 จากการทดลองนี้ แสดงว่าคลอโรพลาสต์ที่ได้รับแสงจะสามารถสร้าง ATP ได้เพียงอย่างเดียว หรือสร้างทั้ง ATP, NADPH+H+ และ O2 ก็ได้ ขึ้นอยู่กับว่าคลอโรพลาสต์นั้นจะได้รับ ADP และ Pi เท่านั้น หรือทั้ง NADP+, ADP และ Pi อาจสรุปได้ว่า พืชจะให้ NADPH+H+ และ O2 เมื่อได้รับ NADP+

ต่อมาอาร์นอนได้ทำการทดลองใหม่ โดยเติมแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ATP และ NADPH+H+ ลงไปในสารละลายของคลอโรพลาสต์ที่สกัดออกมาจากเซลล์ แต่ไม่ให้แสงสว่าง ผลปรากฏว่า มีน้ำตาลเกิดขึ้น

จากการศึกษาของอาร์นอน ทำให้นักวิทยาศาสตร์เกิดแนวคิดว่า ขั้นตอนของการสังเคราะห์ด้วยแสงอาจแยกออกเป็น 2 ขั้นตอนใหญ่ๆ คือ

1. ปฏิกิริยาที่ต้องใช้แสง (light reaction) เป็นกระบวนการที่จำเป็นต้องใช้แสงโดยตรง เพื่อทำให้โมเลกุลของน้ำถูกแยกสลาย ซึ่งผลิตภัณฑ์ที่ได้ คือ แก๊สออกซิเจน ATP และ NADPH+H+

2. ปฏิกิริยาที่ไม่ต้องใช้แสง (dark reaction) เป็นกระบวนการที่ไม่จำเป็นต้องใช้แสงโดยตรง และเป็นกระบวนการที่เกิดหลังปฏิกิริยาที่ต้องใช้แสง เพราะจะต้องรับ ATP และ NADPH+H+ จากปฏิกิริยาที่ใช้แสงและคาร์บอนไดออกไซด์ แม้ไม่ได้รับแสงก็เกิดน้ำตาลได้