高等植物葉綠體中的葉綠素主要有葉綠素a 和葉綠素b 兩種。它們不溶於水，而溶於有機溶劑，如乙醇、丙酮、乙醚、氯仿等。葉綠素a分子式：C55H72O5N4Mg；葉綠素 b分子式：C55H70O6N4Mg。在顏色上，葉綠素a 呈藍綠色，而葉綠素b 呈黃綠色。按化學性質來說，葉綠素是葉綠酸的酯，能發生皂化反應。葉綠酸是雙羧酸，其中壹個羧基被甲醇 所酯化，另壹個被葉醇所酯化。
葉綠素分子含有壹個卟啉環的“頭部”和壹個葉綠醇的“尾巴”。鎂原子居於卟啉環的中央，偏向於帶正電荷，與其相聯的氮原子則偏向於帶負電荷，因而卟啉具有極性，是親水的，可以與蛋白質結合。葉醇是由四個異戊二烯單位組成的雙萜，是壹個親脂的脂肪鏈，它決定了葉綠素的脂溶性。葉綠素不參與氫的傳遞或氫的氧化還原，而僅以電子傳遞（即電子得失引起的氧化還原）及***軛傳遞（直接能量傳遞）的方式參與能量的傳遞。
卟啉環中的鎂原子可被氫離子、銅離子、鋅離子所置換。用酸處理葉片，氫離子易進入葉綠體，置換鎂原子形成去鎂葉綠素，使葉片呈褐色。去鎂葉綠素易再與銅離子結合，形成銅代葉綠素，顏色比原來更穩定。人們常根據這壹原理用醋酸銅處理來保存綠色植物標本。 葉綠醇是親脂的脂肪族鏈，由於它的存在而決定了葉綠素分子的脂溶性，使之溶於丙酮、酒精、乙醚等有機溶劑中。由於在結構上的差別，葉綠素a呈藍綠色，b呈黃綠色。在光下易被氧化而退色。葉綠素是雙羧酸的酯，與堿發生皂化反應。
葉綠素不很穩定，光、酸、堿、氧、氧化劑等都會使其分解。酸性條件下，葉綠素分子很容易失去卟啉環中的鎂成為去鎂葉綠素。葉綠素溶液能進行部分類似光合作用的反應，在光下使某些化合物氧化或還原。人工制備的葉綠素膜在光下能產生光電位和光電流，也能催化某些氧化還原反應。