葉綠素分子結構19世紀初，俄國化學家、色層分析法創始人M.C.茨韋特用吸附色層分析法證明高等植物葉子中的葉綠素有兩種成分。德國H.菲舍爾等經過多年的努力，弄清了葉綠素的復雜的化學結構。1960年美國R.B.伍德沃德領導的實驗室合成了葉綠素a。至此，葉綠素的分子結構得到定論。
葉綠素分子是由兩部分組成的：核心部分是一個卟啉環(porphyrin ring)，其功能是光吸收；另一部分是一個很長的脂肪烴側鏈，稱為葉綠醇（phytol），葉綠素用這種側鏈插入到類囊體膜。與含鐵的血紅素基團不同的是，葉綠素卟啉環中含有一個鎂原子。葉綠素分子通過卟啉環中單鍵和雙鍵的改變來吸收可見光。各種葉綠素之間的結構差別很小。如葉綠素a和b僅在吡咯環Ⅱ上的附加基團上有差異：前者是甲基，后者是甲醛基。細菌葉綠素和葉綠素a不同處也只在于卟啉環Ⅰ上的乙烯基換成酮基和環Ⅱ上的一對雙鍵被氫化。