叶绿体中的液体被称为基质（Stroma）——和细菌的细胞质相对应，尽管叶绿体的蛋白质大多由细胞核的遗传信息编码而成，基质中仍含有小的环状脱氧核糖核酸（DNA）和核糖体。叶绿体内含有堆叠的扁平状的颗粒类囊体（Thylakoids）和其延伸部分-基质类囊体，内囊体有内腔。光合作用在类囊体的表面和基质中进行。

叶绿体和叶绿体内膜的光合作用蛋白质结合在一起。叶绿素的存在是叶绿体呈现绿色的原因。藻类的叶绿体也有可能是金色，棕色或红色，这显示了叶绿体膜和类囊体的多样性。

在C4植物中，维管束周围有维管束鞘包绕，其内细胞也含有叶绿体，但叶绿体内没有基粒（又称叶绿饼，即成堆的类囊体），所以不能进行光反应，它们是C4植物卡尔文循环的场所。