Klorofil i magnezij povezani su po tome što molekula klorofila sadrži magnezijev ion. Zelene biljke ovise o klorofilu za fotosintezu, a magnezij je potreban za proizvodnju klorofila. Stoga je ovaj element bitan nutrijent za zelene biljke. U procesu fotosinteze, zelene biljke koriste energiju sunčeve svjetlosti kako bi sintetizirale glukozu iz vode i ugljičnog dioksida. Kisik nastaje kao nusprodukt ove reakcije i stoga je ovaj proces uvelike odgovoran za održavanje razine kisika na planetu.
Struktura klorofila omogućuje mu da igra ključnu ulogu u fotosintezi. Molekule klorofila su porfirini, skupina spojeva koji imaju zajednički raspored od četiri atoma dušika s prostorom u središtu koji im omogućuje da ugrade metalni ion koji se može vezati za atome dušika. Ova formacija postoji u molekulama klorofila, a magnezijevi ioni sjede u središtu. Porfirini su često jako obojeni zbog svoje sklonosti apsorbiranju svjetlosti određenih frekvencija. Klorofil vrlo učinkovito apsorbira crvenu i plavu svjetlost, ostavljajući zeleno svjetlo da se reflektira natrag; to objašnjava boju zelenih biljaka.
Brojni su koraci uključeni u fotosintezu, ali ona u osnovi uključuje prijenos elektrona iz vode (H2O) na ugljični dioksid (CO2), oslobađanje kisika (O2) iz ugljičnog dioksida, što omogućuje da se voda spoji s ugljikom kako bi nastao glukoza (C6H12O6) — najjednostavniji ugljikohidrat. Proces je vrlo složen, ali slijedi jednadžbu: 6H2O + 6CO2 6O2 + C6H12O6. Glukoza je glavni izvor energije za biljne stanice, ali i za životinje koje je dobivaju izravno ili neizravno iz biljaka. U jednom ključnom koraku, svjetlost koju apsorbira klorofil pobuđuje elektrone u molekulama, omogućujući im prijenos na druge molekule. Klorofil i magnezij su povezani u ovom koraku jer magnezij pomaže molekuli apsorbirati svjetlost i održava elektrone u pobuđenom stanju kako bi se mogli prenijeti.
Osim svoje uloge u klorofilu, magnezij također sudjeluje u hvatanju ugljičnog dioksida koji osigurava ugljik za proizvodnju glukoze. Pomaže aktivirati enzim ribuloza-1,5-bifosfat karboksilaza oksigenazu (RuBisCO), koji katalizira ugradnju ugljičnog dioksida u molekule koje sudjeluju u fotosintezi. Ovaj proces je poznat kao fiksacija ugljičnog dioksida.
Proizvodnja klorofila i dostupnost magnezija u tlu usko su povezani. Nedostatak magnezija očituje se kod biljaka žutilom listova između žila. To je poznato kao kloroza i obično se prvo vidi u starijim listovima, jer će biljka razgraditi klorofil u starijim dijelovima biljke kako bi održala razine u područjima koja aktivno rastu. Tamo gdje nedostaje ovaj element, može se tretirati izvorom magnezija kao što je mljeveni dolomitski vapnenac ili magnezijev sulfat, također poznat kao Epsom soli.