La fonction d'un thylakoïde est de servir de compartiment où se produisent les réactions de collecte de lumière de la photosynthèse, comme expliqué dans "Biologie moléculaire de la cellule". Il est situé dans le stroma du chloroplaste, qui est l'espace trouvé entre la membrane interne et la membrane thylacoïdienne.
Les thylacoïdes sont constitués d'un système interconnecté de sacs aplatis en forme de disque. Ils ont tendance à former des agrégats empilés, appelés grana, qui contiennent environ 10 à 20 thylakoïdes chacun. Ils contiennent la chaîne de transport d'électrons, le système photosynthétique absorbant la lumière et une enzyme ATP synthase. À l'extérieur de la membrane thylakoïde se trouve le stroma, qui est le grand espace intérieur du chloroplaste et contient des enzymes qui incorporent du CO2 dans les sucres, les ribosomes, l'ARN et l'ADN. La membrane des thylakoïdes contient d'importants complexes protéiques qui réalisent les réactions lumineuses de la photosynthèse. Des complexes de photosystèmes I et II qui récoltent la lumière avec de la chlorophylle et des caroténoïdes y sont situés. Ils absorbent l'énergie lumineuse et l'utilisent pour dynamiser les électrons de la chaîne de transport d'électrons. Un grand complexe protéique connu sous le nom d'ATP synthase contrôle le gradient de concentration des ions hydrogène dans l'espace thylakoïde pour générer de l'énergie ATP, et les ions hydrogène retournent dans le stroma.
