Na membrana interna, estão os complexos enzimáticos que formam o fotossistema I, enquanto o complexo do fotossistema II está na membrana tilacoide.

As reações de fixação do CO₂ da fase escura da fotossíntese, que correspondem ao Ciclo de Calvin, ocorrem no lúmen dos tilacoides.

Durante as reações de fotofosforilação para geração de ATP, um gradiente de íons H⁺ é gerado entre a membrana interna e a membrana externa.

As moléculas de clorofila que participam das reações fotossintéticas são encontradas em maior concentração na membrana interna.

A produção de O₂ durante a fase clara da fotossíntese ocorre após a fotólise da água pelo complexo do fotossistema II presente na membrana tilacoide.