关于植物光合作用的研究，早在17世纪初就开始了。当时，有一位名叫赫尔蒙特的比利时医生就做过这样一个有趣的试验。他把十分容易生根成活的一段柳树枝条种植在一个大瓦盆里。在种植之前，他称量了柳树枝条的质量（2.27kg）和瓦盆中干燥沙土的质量（90.8kg）。此后，只向盆中浇雨水，不再添加其他东西。5年以后，当赫尔蒙特再次进行称量时，柳树枝条已经长成重达76.86kg的柳树，而瓦盆中干燥沙土的质量仅仅减少了千分之一左右。柳树增加的质量远远大于土壤减少的质量。所以，根据这个试验，赫尔蒙特认为，使柳树生长并增加质量的物质，主要来源于雨水，而不是土壤。这个结论在今天看来虽然并不十分科学和严谨，但是，它开创了人们使用定量的方法来研究生物学的先例，是对生物学研究的一个重要贡献。
[背景材料：海尔蒙特（Jan Baptist van Helmont），比利时化学家，生物学家，医生。他在化学理论和实践上都有卓越贡献，从而成为炼金术向近代化学转变时期的代表人物。他所做的柳树实验也是生物研究上划时代的工作。
海尔蒙特有一个著名的实验，就是把两百磅的土壤烘干称重，然后在土里种下5磅重的柳树种子，收集雨水灌溉；五年后柳树长成169磅3盎司重，土壤再烘干称重，只少了2盎司。这证明树木的重量增加来自雨水而非土壤。世界各地生物课本都会提到这一段记载。接着他继续写道：
『根据圣经创世记第一章，上帝创造世界的第一天，就创造了天，创造了地，也创造了水，水一定是非常重要的。我的柳树实验，是要证明上帝创造世界的第三天，上帝说：『天下的水要聚在一处，使旱地露出来。』事就这样成了。上帝说：『地要发生青草和结种子的菜蔬，并结果子的树木，各从其类，果子都包着核。』事就这样成了。这件事就是：树木只要有种子，只要有水，就能供给植物生长所需。』
这段记载说明了，海尔蒙特研究柳树实验的动机是为了印证圣经创世记第一章。这段记载却没被收录在我国的任何一本生物课本里，以致学生看海尔蒙特种了五年的柳树，辛苦地把一堆土弄来弄去，以为他只是单纯地为了科学，而不知这个柳树实验是他对信仰的求证与表白。
当然我们现今知道他的实验实在很精确，但是结论有点偏差(因为土壤损失的2盎司，不是他称重的误差，而是土壤提供植物成长所需养分的消耗)，不过在四百年前能够有这样的发现，实在是不简单。
海尔蒙特从柳树的实验，已经想出空气中的二氧化碳是供给植物生长的另一个物质。他继续以燃烧木头研究二氧化碳。一六四四年十二月三十日，在位于贫民区的实验室内，他中毒身亡：不是死于二氧化碳，而是死于他所不了解的另一种足以致命的有毒气体--一氧化碳。]
在1771年，一位英国牧师、化学家普利斯特里为了验证自己提出的在自然界中有“好空气”和“坏空气”之说，也做了一个有趣的试验。普利斯特里同时将两只老鼠分别放在两个密封的钟罩内，其中一个钟罩里还放进了一株生长旺盛的植物。不久，没有植物陪伴的老鼠渐渐减少了活动，很快就死去了；而在放有绿色植物的另一个钟罩内，老鼠依然可以进行正常的活动，并且持续生活了好几天。普利斯特里还把燃烧着的蜡烛与旺盛生长的薄荷放在一起，蜡烛居然也久久没有熄灭。根据这些试验，普利斯特里得出了植物能够把坏空气变成好空气的结论，而动物的呼吸和蜡烛的燃烧则将好空气变成坏空气。后来，普利斯特里写了一本书，名字就叫《各种气体的实验和观察》。
科学应当能够经受得住时间和实践的检验。当别人按照这本书中所提供的方法去重复普利斯特里所得出的实验结论时，有些时候看到的结果却恰恰相反：是绿色植物的生命活动才把好空气变成坏空气的。这种奇怪的现象，又将一位荷兰医生英格豪斯的注意力吸引到这个研究领域中来。1779年夏天，英格豪斯来到英国伦敦，也开始进行这方面的研究。他用漏斗把新鲜水草扣在装满水的大烧杯里，再用装满水的试管罩在漏斗颈部一端的开口上，然后给水草光照，并用试管收集水草接受光照后所产生的气体。一段时间以后，水草在光照下产生的小气泡在倒扣的试管底部越聚越多。英格豪斯慢慢地将试管从水中取出，再把点燃的蜡烛逐渐靠近试管口，只听“砰”的一声，蜡烛的火焰窜起老高。这个结果用当时人们已经掌握的化学知识，可以解释为是氧气的助燃现象。英格豪斯同时还做了不给水草照光的对比试验，结果很长时间以后也没有看到小气泡产生出来。
为了让试验的结果更加可靠，英格豪斯并不忙于下最后的结论。他又用了将近3个月的时间，选择不同的植物反复进行了总计500多次实验，终于找到了好空气与坏空气互变的关键原因是“光”。英格豪斯所得出的结论是：在光照下，植物会把坏空气变成好空气，没有光的时候则相反。
（此后，在1782年，瑞士牧师塞尼比尔（jean senebier）用化学分析证明，绿色植物能吸收老鼠呼吸产生的“坏空气”（二氧化碳），同时向老鼠提供“好空气”（氧气）；1804年，瑞士化学家索绪尔（nicholes. th. de. saussare）又发现了植物在光照下吸收二氧化碳与产生氧气的数量差异，进一步推论出水参与了光照下植物积累有机物的生命活动，水分和二氧化碳都是光合作用的原料。）
1864年，萨克斯发现了光合作用的产物中有淀粉；直到1897年，科学家们才归纳出了光合作用的反应式：
二氧化碳＋水＋光→氧＋有机物＋化学能
1897年，在人类开始探索植物生命活动原理的一百多年以后，一位名叫佩弗的法国科学家，为植物体在光照下的这种重要的合成代谢起了一个贴切而又响亮的名字——“光合作用”。
卡尔文在生物学方面的一个重要贡献，是他提出了在光合作用过程中，二氧化碳转化为糖的途径。1945年，第二次世界大战结束后，卡尔文和他的合作者将主要精力用于研究光合作用。他们运用同位素示踪和纸层析分离等实验方法和技术，推论出了光合作用过程中，从二氧化碳到六碳糖的各主要反应步骤，并将这个发现总结为“光合碳循环”。后人为了纪念卡尔文这位伟大的发现者，也把光合碳循环称为“卡尔文循环”。
二次世界大战之后,美国加州大学贝克利分校的 Melvin Calvin和他的同事们使用14C示踪和双向纸层析技术,研究一种藻:Chlorella在光合作用中怎样固定CO2,。
他们将培养的藻生长在含有未标记CO2的密闭容器中,然后将标记的CO2注入培养基,培养合适时间后,将培养的藻浸入热的乙醇中,这种处理有三种功效:杀死细胞、终止酶的作用、提取溶解的分子。然后将提取物点在层析纸上进行双向纸层析,最后通过放射自显影分析放射性斑点,并同已知化学成份进行比较。
在卡尔文的实验中,发现标记的CO2转变成有机物的速度很快,几秒钟之内,在层析纸上就有放射性的斑点,经测定,斑点中的化学成份是三磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate,PGA),是糖酵解的中间体。由于被鉴定到的第一个中间体是三碳分子, 所以将CO2的这种固定途径称为C3途径,将通过这种途径固定CO2的植物称为C3植物。最终的研究结果发现, CO2固定的C3途径是一个循环过程,称为C3循环,由于这一循环是卡尔文发现的,故又称卡尔文循环,可分为三个阶段: 羧化、还原和RuBP的再生。
人类探索植物光合作用的漫漫历史长河中，还有一位科学家我们不应当忘记，他就是英国剑桥大学的植物生理学家希尔（r. hill）。是他在1939年用实验证明了植物细胞中的叶绿体在吸收光能以后，可以从水分子中释放出氧气。这个结论后来还在1951～1955年间，在美国和波兰等不同的国家被科学工作者多次验证过。通过以上这些科学家们的共同努力，到20世纪中叶，人类对于植物光合作用的认识，已经从宏观向微观前进了一大步。有关这方面的研究，也从细胞水平转入了更接近于生命物质运动本质的大分子水平。
地球上的生命现象，说到底就是一种物质运动形式，而光合作用则是生命这种物质运动形式的重要基础。没有植物的光合作用，地球上的生命将失去获得光能来推动生命物质运动的能量来源。所以，探索和揭开光合作用的奥秘，是人类探索大自然奥秘的一个里程碑，也将有益于我们更科学地认识人类与环境之间的关系，尤其是认识植物在自然界中的重要地位和作用。