Fotosynthese (ook: koolstofdioxide-, koolzuur- of koolstofassimilatie) is een vorm van biosynthese, waarbij energie uit zonlicht wordt gebruikt om gasvormig koolstofdioxide om te zetten in de vaste stof glucose. Bij deze chemische reactie komt zuurstofgas vrij. Een deel van de gevormde glucose wordt via zetmeelsynthese vervolgens omgezet in zetmeel, dat in wortels, stengels, bladeren en zaden door de plant wordt opgeslagen.
Fotosynthese komt voor in landplanten, algen, en verschillende groepen bacteriën. Op sommige soorten bacteriën na, gebruiken alle fotosynthetiserende organismen naast koolstofdioxide ook water om glucose te maken.
Fotosynthetiserende organismen worden ook wel autotroof of fotoautotroof genoemd. Autotrofe organismen gebruiken de aangemaakte glucose onder andere om zichzelf via de celademhaling van energie te voorzien. Autotrofen kunnen zichzelf bovendien synthetiseren: vanuit glucose worden, via "voortgezette assimilatie", cellulose, en aminozuren (en van daaruit eiwitten) aangemaakt, de bouwstoffen van de cellen. Hierdoor zijn autotrofen onafhankelijk van andere organismen voor hun bestaan. Autotrofen staan aan de basis van alle voedselketens en voedselpiramides van het ecosysteem aarde.
Fotosynthese kan, afhankelijk of vrije zuurstof een rol speelt in het proces, worden onderverdeeld in de hoofdtypen van oxygene fotosynthese en anoxygene fotosynthese. Oxygene fotosynthese treedt op in ecosystemen waar zonlicht kan doordringen: op het land en in de toplaag van wateren. Daarbij wordt zuurstofgas geproduceerd, dat 21% uitmaakt van de aardatmosfeer. Met name op grote diepten in de oceaan komt een vorm van fotosynthese voor waarbij geen zuurstof geproduceerd of verbruikt wordt: anoxygene fotosynthese.
Organismen die energie vastleggen door middel van fotosynthese worden fototroof genoemd. Naast fototrofe organismen zijn er ook chemotrofe organismen, die hun energie halen uit chemosynthese.
