Le membrane specializzate in cui si trovano la clorofilla e gli altri pigmenti sono chiamate tilacoidi, i quali hanno, in genere, la forma di sacchi appiattiti. Nelle cellule eucariote i tilacoidi sono contenuti in speciali organuli detti cloroplasti; l'alga Chlamydomonas, per esempio, ha un unico grosso cloroplasto, mentre la cellula di una foglia ha di solito 40÷50 cloroplasti, per cui ci possono essere anche 500000 cloroplasti per millimetro quadrato di superficie fogliare.

Osservando la figura  è possibile rendersi conto della collocazione dei cloroplasti all'interno di una pianta erbacea come il tarassaco. I tessuti interni della foglia sono racchiusi da cellule epidermiche trasparenti rivestite da uno strato ceroso, la cuticola. Gran parte della fotosintesi avviene nelle cellule a palizzata, cellule allungate poste subito sotto l'epidermide superiore; queste cellule hanno un grosso vacuolo centrale e numerosi cloroplasti che si muovono all'interno del citosol, orientandosi verso la luce.

I cloroplasti, come i mitocondri, sono delimitati da due membrane. I tilacoidi, all'interno del cloroplasto, costituiscono un terzo sistema di membrane. Intorno ai tilacoidi, all'interno del cloroplasto, c'è una soluzione densa, lo strema, che ha una composizione diversa dal citosol. I tilacoidi racchiudono un ulteriore comparto, detto spazio del tilacoide, che contiene una soluzione di composizione ancora diversa.

Al microscopio ottico è possibile vedere, nei cloroplasti delle foglie, delle piccole macchie verdi. I primi microscopisti chiamarono grani questi corpuscoli verdi, termine che è ancora in uso. Il microscopio elettronico ha rivelato che i grani sono pile di tilacoidi Tutti i tilacoidi di un cloroplasto sono orientati parallelamente l'uno all' altro; perciò il cloroplasto, tramite oscillazioni che gli consentono di porsi in direzione ottimale rispetto al Sole, può puntare contemporaneamente tutti i suoi milioni di pigmenti verso la luce per assicurare la massima ricezione, come se fossero antenne elettromagnetiche in miniatura (quello che, in effetti, sono in realtà).