植物生理学主要研究的是植物如何进行水分代谢，矿质代谢，如何进行光合作用和呼吸作用，植物如何进行生长发育，以及植物的抗逆性问题。
光合作用。绿色植物的特殊功能。它们有光合色素，能吸收太阳光。色素在受激发后发生电荷分离，电子经过一系列的载体传递后，引起氧化还原反应：在一端分解水分子，放出氧气。
另一端还原辅酶Ⅱ，同时造成质子（氢离子）转移，形成叶绿体中类囊体膜内外的电位差和氢离子浓度差，推动腺苷三磷酸（ATP）的合成。这样 ，将光能转变成还原辅酶Ⅱ与ATP中的化学能，最后经过一系列的酶反应，把从空气中吸入的CO2固定并还原成碳水化合物。
植物代谢。可以分为两大方面 ，一方面是合成代谢——将光合作用产生的比较简单的有机物通过一系列酶反应，组成更复杂的包括大分子的有机物如蛋白质，核酸、酶、纤维素等，构成植物身体的组成部分；或贮存物如淀粉、蔗糖、油脂，以供其生命活动中所需的能量。
另一方面是分解代谢——把大分子的物质水解（或磷酸解）成为简单的糖磷酯 ，再经过糖酵解形成丙酮酸，同时产生少量的ATP和还原的辅酶（NADH或NADPH）。
产生
植物生理学的起源一般都追溯到16世纪荷兰人范埃尔蒙的实验。他把一条柳枝栽在盆中，每天浇水，5年以后柳枝增重30倍，而盆中土的重量减少甚微，因此他认为植物的物质来源不是土而是水。这是第一次用实验的方法研究植物的生理现象。
到18世纪后期和19世纪初期，英国的J·普里斯特利，荷兰的J·英恩豪斯等人陆续发现了光合作用的主要环节，证明绿色植物能在光下将空气中的CO2和土壤中的水合成有机物并放出O2。
意大利人M·马尔皮基，英国S·黑尔斯，法国J·B·布森戈，德国J·von·李比希，英国C·R·达尔文等人分别发现或阐明了植物中的物质运输、水分吸收与蒸腾、氮素营养、矿质吸收、植物的感应性和运动等现象。随着知识的积累和系统化，1800年，瑞士的J·塞内比埃撰写并出版了世界上第一部《植物生理学》。