Los cloroplastos son componentes celulares que contienen los pigmentos verdes clorofila a y b, así como carotenoides de color anaranjado y xantofilas amarillas, son característicos de los seres autótrofos (los que producen su propio alimento mediante fotosíntesis), que poseen la maquinaria enzimática para transformar la energía solar en energía química, a través de la fotosíntesis. Estos orgánulos son característicos de las células del mesófilo foliar (parte de la hoja donde suele dar la luz), poseen una doble membrana que los asemeja a las mitocondrias por tener una membrana externa y otra interna pero esta es lisa; el espacio delimitado por la membrana interna está ocupado por un material amorfo (sin forma), parecido a un gel, rico en enzimas, denominado estroma. Contiene las enzimas que realizan la fijación o reducción del CO2 , convirténdolo en carbohidratos, como el almidón. La membrana interna de los cloroplastos también engloba un tercer sistema de membranas, que consta de sacos planos llamados tilacoides, en los cuales la energía luminosa se utiliza para oxidar el agua y formar ATP (compuesto rico en energía) y NADPH (poder reductor), usados en el estroma para convertir el CO2 en carbohidratos. En ciertas partes de los cloroplastos, los tilacoides se disponen como monedas apiladas, denominados grana, pero en el estroma permanecen aislados.
Los cloroplastos tienen forma elíptica, con un diámetro de 5 a 10 mm y su número puede variar de 20 a 100 por célula vegetal. Ellos responden directamente a la energía solar, para llevar a cabo la fotosíntesis, orientándose perpendicularmente a los rayos de luz; sin embargo sí la energía lumínica es muy fuerte, se disponen de tal forma que la radiación incida oblicuamente, recibiendo menos luz.
En las plantas, los cloroplastos se desarrollan a partir de unos orgánulos pequeños e incoloros que se llaman proplastos, esta reacción es disparada por la presencia de luz, que provoca la diferenciación del plastidio, apareciendo los pigmentos y la proliferación de membranas, que origina los tilacoides y grana. A medida que las células se dividen en las zonas en que la planta está creciendo, los proplastos que están en su interior también se dividen por fisión. De este modo, las células hijas tienen la capacidad de producir cloroplastos. En el estroma del cloroplasto se encuentran pequeños pedazos circulares de ADN, dispuestos en doble hélice (parecidos al ADN de las mitocondrias y bacterias). El ADN del cloroplasto regula la síntesis del ARN ribosomal, del ARN de transferencia y de la Ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa-oxigenasa, enzima que cataliza la fijación del CO2 en la fotosíntesis. Sin embargo, la mayoría de las proteínas del cloroplasto, son sintetizadas en el citosol y transportadas al cloroplasto.
Esta capacidad que tienen los cloroplastos para reproducirse a sí mismos, y su estrecha similitud, con independencia del tipo de célula en que se encuentren, sugieren que estos orgánulos fueron alguna vez organismos autónomos que establecieron una simbiosis en la que la célula vegetal era el huésped.