Pour observer des chloroplastes dans des cellules vivantes, il est nécessaire de disposer de matériel biologique très mince, ne comportant qu'un faible nombre de cellules en épaisseur. C'est le cas des algues unicellulaires, filamenteuses ou formées d'un thalle uni ou bicellulaire comme les Ulves et les Entéromorphes. Chez les plantes supérieures, deux organismes se prêtent bien à ce type d'observation : les lentilles d'eau et les élodées (et plantes associées).
Les observations vitales sont réalisées ici sur une plante aquatique, l'élodée du Canada. Cette plante se prête bien à des observations vitales, car sa feuille est constituée seulement de deux assises de cellules.

Feuille d'élodée vue de face. Les cellules sont visibles à faible grossissement.	Coupe transversale d'une feuille d'élodée. Elle est formée de seulement deux couches de cellules.

Les chloroplastes apparaissent dans le cytoplasme comme des grains ovoïdes verts. Après un éclairage intense et en présence de dioxyde de carbone (CO₂₎ (hydrogénocarbonate), on peut mettre en évidence une synthèse d'amidon grâce à un réactif spécifique, le lugol.

Cellules d'élodée à faible grossissement.	Cellules d'élodée après coloration par le lugol. Des grains d'amidon apparaissent dans les chloroplastes.
Cellules d'élodée. Détail.	Cellule d'élodée colorée au lugol. Détail.

A fort grossissement, il est possible parfois de distinguer une structure granulaire quand les chloroplastes sont observés de face et une structure orientée (plus ou moins lamellaire) quand ils sont observés de profil.

Les chloroplastes apparaissent contenir une structure granulaire à fort grossissement.

La microscopie photonique ne permet pas d'accéder à l'intérieur du chloroplaste. C'est grâce à la microscopie électronique à transmission (MET) que la structure du chloroplaste a pu être bien étudiée.
Exemple : structure du chloroplaste de la feuille d'épinard.

Pour approfondir : les techniques d'étude, la structure des chloroplastes des algues, des plantes supérieures et leur différenciation.