理解C3与C4植物的区别，先要理解光合作用，光合作用分为光反应与暗反应两个阶段。C₃植物与C₄植物在光反应阶段完全相同，都通过光反应产生O₂、[H]（实质是NADPH，还原型辅酶II，为胞内代谢提供同化力）和ATP（腺苷三磷酸，能量），为暗反应阶段提供同化力[H]和ATP。但其暗反应途径不一样：

光反应又称为光系统电子传递反应。在反应过程中,来自于太阳的光能使绿色生物的叶绿素产生高能电子从而将光能转变成电能。然后电子通过在叶绿体类囊体膜中的电子传递链 间的移动传递,并将H+质子从叶绿体基质传递到类囊体腔,建立电化学质子梯度,用于ATP的合成。光反应的最后一步是高能电子被NADP+接受,使其被还原成NADPH。光反应的场所是类囊体。概括地说光反应是通过叶绿素等光合色素分子吸收光能, 并将光能转化为化学能, 形成ATP和NADPH的过程。光反应包括光能吸收、电子传递、光合磷酸化等三个主要步骤。

因此，光反应阶段主要化学反应为:NADP*+2e-+H*→NADPH)

暗反应：

卡尔文循环是光合作用中暗反应核心部分。反应场所为叶绿体内的基质。循环可分为三个阶段: 羧化、还原和二磷酸核酮糖的再生。植物会将吸收到的一分子二氧化碳通过一种叫1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的作用整合到一个五碳糖分子1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）的第二位碳原子上。此过程称为二氧化碳的固定。这一步反应的意义是，把原本并不活泼的二氧化碳分子活化，使之随后能被还原。但这种六碳化合物极不稳定，会立刻分解为两分子的三碳化合物3-磷酸甘油酸。后者在光反应中生成的NADPH+H还原，此过程需要消耗ATP。产物是3-磷酸丙糖。后来经过一系列复杂的生化反应，一个碳原子将会被用于合成葡萄糖而离开循环。剩下的五个碳原子经一些列变化，最后在生成一个1，5-二磷酸核酮糖，循环重新开始。循环运行六次，生成一分子的葡萄糖。

C4植物在光合的暗反应中利用磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),经PEP羧化酶的作用，与CO2结合，形成苹果酸或天门冬氨酸。这些四碳双羧酸转移到鞘细胞里，通过脱羧酶的作用释放CO2，后者在鞘细胞叶绿体内经核酮糖二磷酸(RuBP)羧化酶作用，进入光合碳循环（卡尔文循环）。这种由PEP形成四碳双羧酸，然后又脱羧释放CO2的代谢途径称为四碳途径。因此，C4植物固定CO2的能力更强，且既可以通过C4途径，也可以通过C3途径固定。

C3植物　C3植物只利用卡尔文循环中1，5-二磷酸核酮糖直接固定CO2。一个CO2被一个五碳化合物(1，5-二磷酸核酮糖，简称RuBP)固定后形成两个三碳化合物(3-磷酸甘油酸)，即 CO2被固定后最先形成的化合物中含有三个碳原子，所以称为C3植物。

因此，生理生化上，C4与C3植物不同CO2固定方式与部位不同。

C4与C3植物比较优势：

l  叶绿体对CO2的亲和力强于C3　（C4植物与C3植物相比，CO2补偿点低得多，在较低的浓度达到较高的光合同化能力）

l  光照较强的环境中，产量较高，可充分利用光能。

l  C₄植物比C₃植物更能适应高温、光照强烈和干旱的环境。高温、光照强烈和干旱的条件下，绿色植物的气孔关闭。此时，C₄植物能够利用叶片内细胞间隙中含量很低的CO₂进行光合作用、光呼吸较弱，而C₃植物不仅不能利用细胞间隙中的CO₂进行光合作用、光呼吸也较强。

玉米是典型的C4植物。