La connaissance de l'ultrastructure du chloroplaste, améliorée par son fractionnement et différentes techniques d'étude particulières (cryodécapage, coloration négative, utilisation de mutants déficients, immunocytochimie,..) a permis de dresser une carte topographique des membranes des thylacoïdes.
En ne tenant compte que des grands groupes de complexes protéiques (PSI, PSII, cytochromes b₆f, ATP-synthase), il est possible ainsi de les localiser précisément sur les membranes.

Schéma général d'un groupe de thylacoïdes granaires, associés à un thylacoïde intergranaire. Les complexes PSI (photosystème I) sont localisés à 80% dans les thylacoïdes non accolés, les complexes PSII (photosystèmeII) dans les thylacoïdes accolés (grana) et les complexes cytochromes b6f un peu partout. Les ATP-synthases, comme indiqué par les colorations négatives, se trouvent essentiellement dans les régions non accolées des thylacoïdes granaires ou intergranaires.

Cette représentation spatiale de l'organisation des thylacoïdes peut être mise en relation avec leur fonctionnement.

Sur cette vue agrandie d'un détail de l'organisation d'un thylacoïde, on peut schématiser les principales opérations de la phase photochimique de la photosynthèse. La lumière agit sur les PSII et PSI qui sont coordonnés.
Le transfert des électrons du PSII au NADPH via le complexe b₆f et le PSI se réalise dans la membrane des thylacoïdes. Des transporteurs non représentés ici (plastocyanine,..) sont nécessaires.
Les H⁺ produits lors du transfert des électrons provoquent un baisse de pH dans le lumen des thylacoïdes. Ceci engendre une force protomotrice capable de permettre à l'ATP-synthase de produire de l'ATP à partir de l'ADP. NADPH (coenzymes réduits) et ATP sont produits hors du thylacoïde, dans le stroma. Ils résultent de la phase photochimique réalisée dans le thylacoïde. Ils permettent au cycle de Calvin (incorporation du CO₂) de se réaliser.

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