叶绿素分子是由两部分组成的：核心部分是一个卟啉环(porphyrin ring)，其功能是光吸收；另一部分是一个很长的脂肪烃侧链，称为叶绿醇(phytol)，叶绿素用这种侧链插入到类囊体膜。与含铁的血红素基团不同的是，叶绿素卟啉环中含有一个镁原子。叶绿素分子通过卟啉环中单键和双键的改变来吸收可见光。各种叶绿素之间的结构差别很小。如叶绿素a和b仅在吡咯环Ⅱ上的附加基团上有差异：前者是甲基，后者是甲醛基。细菌叶绿素和叶绿素a不同处也只在于卟啉环Ⅰ上的乙烯基换成酮基和环Ⅱ上的一对双键被氢化。
叶绿体色素有三类：(1)叶绿素，主要包括叶绿素a和叶绿素b；(2)类胡萝卜素，其中有胡萝卜素和叶黄素；(3)藻色素。类囊体膜中含有叶绿素和类胡萝卜素，叶绿体被膜中只含有一些类胡萝卜素(特别是紫黄质，叶黄素的一种，不含叶绿素)。
叶绿素a和b都是卟啉化合物，即都是由4个吡咯环组成的1个大环。这个大环中有一整套共轭双键，也就是1个大π键。在这个卟啉环中央有1个镁原子。镁与4个氮原子的距离是相等的。叶绿素所以是绿色，主要就是由这个卟啉环中的π电子和Mg所决定的。
