細胞內的葉綠素分子通過直接吸收光量子或間接通過捕光色素吸收光量子得到能量后，從基態（低能態）躍遷到激發態（高能態）。由于波長越短能量越高，故葉綠素分子吸收紅光后，電子躍遷到最低激發態；吸收藍光后，電子躍遷到比吸收紅光更高的能級（較高激發態）。處于較高激發態的葉綠素分子很不穩定，在幾百飛秒（fs，1 fs=10－15 s）內，通過振動弛豫向周圍環境輻射熱量，回到最低激發態。最低激發態的葉綠素分子可以穩定存在幾納秒（ns，1 ns=10－9 s）。
處于較低激發態的葉綠素分子可以通過幾種途徑釋放能量回到穩定的基態。能量的釋放方式有如下幾種（Campbell et al.，1998；Rohá?ek & Barták，1999；Malkin & Niyogi，2000）：1）重新放出一個光子，回到基態，即產生熒光。由于部分激發能在放出熒光光子之前以熱的形式逸散掉了，因此熒光的波長比吸收光的波長長，葉綠素熒光一般位于紅光區。2）不放出光子，直接以熱的形式耗散掉（非輻射能量耗散）。3）將能量從一個葉綠素分子傳遞到鄰近的另一個葉綠素分子，能量在一系列葉綠素分子之間傳遞，最后到達反應中心，反應中心葉綠素分子通過電荷分離將能量傳遞給電子受體，從而進行光化學反應。以上這3個過程是相互競爭的，往往是具有最大速率的過程處于支配地位。對許多色素分子來說，熒光發生在納秒級，而光化學發生在ps級，因此當光合生物處于正常的生理狀態時，天線色素吸收的光能絕大部分用來進行光化學反應，熒光只占很小的一部分。
活體細胞內由于激發能從葉綠素b到葉綠素a的傳遞幾乎達到100%的效率，因此檢測不到葉綠素b熒光。在室溫下，絕大部分（約90%）的活體葉綠素熒光來自PSⅡ的天線色素系統，而且光合器官吸收的能量只有約3%～5%用于產生熒光。