Hiệu suất quang hợp là phần năng lượng ánh sáng được chuyển hóa thành năng lượng hóa học trong quá trình quang hợp ở thực vật và tảo. Quang hợp tạo oxy có thể được mô tả bằng phản ứng hóa học đơn giảntrong đó C6H12O6 là glucose (sau đó được chuyển hóa thành các chất hữu cơ khác như các loại đường khác, tinh bột, cellulose, lignin...).Cách tính hiệu suất quang hợp phụ thuộc vào cách xác định năng lượng ánh sáng. Nếu chỉ tính năng lượng của phần ánh sáng được hấp thụ thì hiệu suất được gọi là hiệu suất danh nghĩa. Nếu tính năng lượng của toàn bộ dải ánh sáng từ Mặt Trời rọi vào thực vật và tảo, khi đó hiệu suất được gọi là hiệu suất chuyển đổi năng lượng Mặt Trời.Trong phản ứng quang hợp, ứng với mỗi phân tử CO2 đầu vào, cần khoảng tám đến mười, hoặc nhiều hơn[1], photon để cung cấp đủ năng lượng cho phản ứng xảy ra. Năng lượng tự do Gibbs để chuyển đổi một mol CO2 thành glucose là 114 kcal, trong khi 8 mol photon ở bước sóng 600 nm chứa 381 kcal. Từ đây có thể tính ra hiệu suất danh nghĩa là 30%.[2] Tuy nhiên, quá trình quang hợp có thể xảy ra với ánh sáng có bước sóng tới 720 nm miễn là có ánh sáng ở bước sóng dưới 680 nm để giữ cho Quang hệ II hoạt động trong cơ chế của chất diệp lục. Sử dụng bước sóng dài hơn có nghĩa là cần ít năng lượng ánh sáng hơn cho cùng một số lượng photon và do đó cho cùng một lượng quang hợp. Điều này dẫn đến bước sóng dài hơn cho hiệu suất quang hợp danh nghĩa cao hơn.Đối với ánh sáng Mặt trời thực tế, chỉ có 45% năng lượng ánh sáng nằm trong dải bước sóng hoạt động quang hợp, hiệu suất chuyển đổi năng lượng Mặt Trời tối đa theo lý thuyết là khoảng 11%. Tuy nhiên, trên thực tế, thực vật không hấp thụ toàn bộ ánh sáng Mặt Trời tới, do phản xạ và truyền qua, do nhu cầu hô hấp sáng và yêu cầu về mức bức xạ mặt trời tối ưu (nhiều ánh sáng quá hoặc ít ánh sáng quá cũng làm hiệu suất giảm). Khi tính phần năng lượng từ Mặt Trời được tích tụ lại ở sinh khối, hiệu suất chuyển đổi năng lượng Mặt Trời chỉ đạt từ 3% tới 6%.[1] Hiệu suất này cao hơn ở các loài tảo, và có thể đạt đến 7%.[3]Nếu quá trình quang hợp không hiệu quả, năng lượng ánh sáng dư thừa phải được tiêu tán để tránh làm hỏng bộ máy quang hợp. Năng lượng có thể bị tiêu tán dưới dạng nhiệt, ví dụ bằng quá trình dập tắt không quang hóa, hoặc phát ra dưới dạng huỳnh quang diệp lục.Ngoài quang hợp tạo oxy, một số loài vi khuẩn và vi khuẩn cổ còn thực hiện quang hợp không tạo oxy - nhưng vẫn cố định được carbon thành chất hữu cơ - và quang dưỡng võng mạc - một quá trình thu năng lượng ánh sáng để sinh tồn mà không tạo ra carbon hữu cơ.