Ordinàriament és de color verd, per la clorofil·la que conté, bé que pot ésser emmascarat per uns altres pigments (carotens, ficobilines). En les algues, els cloroplasts tenen formes variables: en copa o anell obert (Chlorella, Ulothrix), en cinta helicoidal (Spirogyra) o plana (Mougeotia), en estrella (Zygnema, moltes algues vermelles), etc. Però en algunes algues, en els briòfits i en les plantes superiors es donen en nombre elevat i tenen forma biconvexa, amb unes dimensions de 3 a 10 μm de diàmetre i d’1 a 2 μm de gruix. En les angiospermes hi ha de 15 a 20 cloroplasts per cèl·lula. Sovint circulen pel citoplasma i àdhuc poden orientar llurs superfícies d’acord amb la llum. En les algues verdes i en les antocerotals solen presentar unes estructures molt refringents, els pirenoides, on s’acumulen els glúcids sintetitzats, en forma de midó. Sovint apareixen en els cloroplasts grànuls de midó independents dels pirenoides. Aquests grànuls solen créixer de dies i reduir-se de nits. Els cloroplasts molt rics en midó s’anomenen cloroamiloplasts.
La fotosíntesi
Amb el microscopi òptic són visibles dins el cloroplast uns corpuscles verds, molt rics en clorofil·la, d’uns 0,5 μm de diàmetre, anomenats grans o grànuls. Al microscopi electrònic, el cloroplast es mostra limitat per una doble membrana, o sia, per dues membranes unitàries. La interna es continua a l’interior del cloroplast en un sistema membranós de lamel·les o tilacoides, senzill en les algues vermelles, ordenat en sentit paral·lel en les algues verdes i brunes, i molt complex en els briòfits i en les plantes superiors. Tota la clorofil·la del cloroplast és concentrada en aquest sistema membranós. Les lamel·les es fusionen terminalment per parells, formant uns sàculs, els quals són apilats i constitueixen els grans visibles al microscopi òptic. La membrana dels tilacoides és constituïda per partícules denominades quantosomes, que són considerades com a unitats funcionals de la fase lumínica de la fotosíntesi. El sistema de membranes del cloroplast és immergit en un líquid viscós i fosc, l'estroma. En l’estroma hom pot observar gotes lipídiques disseminades, els glòbuls osmiòfils. L’energia lumínica és captada pels grans, on té lloc la fase lumínica de la fotosíntesi, que comporta l’escissió de l’aigua. En l’estroma s’esdevé la fase fosca, consistent en la reducció del diòxid de carboni i l’emmagatzematge de l’energia obtinguda en la fase lumínica. El cloroplast es compon aproximadament d’un 50% d’aigua, d’un 25% de pròtids i d’un 10% de lípids, ultra un 3% de clorofil·les i un 2% de carotens, xantofil·les i altres pigments. Els cloroplasts es divideixen per escissió durant la interfase, i en dividir-se la cèl·lula, es reparteixen equitativament entre les cèl·lules filles. En les plantes superiors, les cèl·lules meristemàtiques contenen unes vesícules incolores, de membrana doble, els proplasts (protoplast), que, en diferenciar-se les cèl·lules, creixen i s’enriqueixen en tilacoides, els quals acaben formant els grans dels cloroplasts madurs. Els cloroplasts contenen una petita quantitat d’ADN, capaç de sintetitzar ARN. També contenen ribosomes, diferents dels del citoplasma i bastant semblants als de les cèl·lules protocariòtiques. Si bé la major part de l’activitat dels cloroplasts és regulada pel nucli, aquesta dotació genètica pròpia els assegura una certa continuïtat genètica i una independència fisiològica parcial (formació de l’ADN ribosòmic, d’algunes proteïnes ribosòmiques i d’algunes substàncies de la membrana). Molt recentment hom ha pogut obtenir la divisió de cloroplasts in vitro. Això, entre altres raons, ha fet pensar en la possibilitat que els cloroplasts derivin de protocarionts fotosintetitzadors que haurien passat des de molt antic a la vida endosimbiòtica, fins al punt de restar sota la dependència obligada i quasi total del nucli de l’hoste. En general, els cloroplasts s’hereten per la línia femenina, i llur informació genètica és responsable d’alguns casos d’herència no mendeliana.