El origen de los cloroplastos o plastos es una cuestión biológica importante, y la comunidad científica ha propuesto varias hipótesis para explicar su origen. Entre ellas, la hipótesis más ampliamente aceptada es la teoría endosimbiótica.
Al comparar el ADN de los cloroplastos y las mitocondrias, hemos aprendido que ambos se originaron a partir de eventos independientes similares. Los cloroplastos aparecieron más tarde que las mitocondrias. No fueron engullidos por procariontes, sino por eucariontes que ya habían adquirido mitocondrias. Hace aproximadamente 1.5 mil millones de años, cierto eucarionte ingirió una alga verde azulada (cianobacteria), pero no la digirió por completo. La alga verde azulada utilizó el dióxido de carbono producido por el hospedador y la luz solar para la fotosíntesis. El hospedador no solo podía engullir compuestos orgánicos desde el exterior, sino también utilizar el ATP y los compuestos orgánicos producidos por la fotosíntesis de las algas. Formaron una perfecta endosimbiosis y rápidamente obtuvieron ventaja en la competencia con otros organismos. Con el tiempo, la alga verde azulada transfirió la mayor parte de su ADN al hospedador. Los lípidos en el lado externo de la pared celular se convirtieron en la membrana externa del cloroplasto, y el peptidoglicano en el lado interno de la pared celular desapareció. La membrana celular se convirtió en la membrana interna del cloroplasto. Los tilacoides se transformaron en discos aplanados y llenaron los cloroplastos. La alga verde azulada se convirtió en una organela especializada en la producción de nutrientes. Con el tiempo, los organismos endosimbióticos evolucionaron en algas rojas y algas verdes. Las algas verdes son los ancestros de todas las plantas terrestres.
Los cloroplastos de las plantas superiores están rodeados por dos membranas y se considera que se produjeron a través de la endosimbiosis primaria. Sin embargo, los científicos han descubierto recientemente cloroplastos en algunos protistas con cuatro membranas. Se cree que los cloroplastos con cuatro membranas no evolucionaron directamente a partir de algas verdes azuladas, sino que se formaron cuando los eucariontes ingirieron algas que contenían cloroplastos. Las algas ingeridas fueron digeridas gradualmente y dejaron atrás la membrana celular y los cloroplastos de los cuales surgieron los cloroplastos de cuatro membranas. Esto también se conoce como endosimbiosis secundaria.
Además de la teoría endosimbiótica, existe la hipótesis no endosimbiótica. Esta hipótesis sugiere que los cloroplastos no se originaron a partir de eventos de endocitosis, sino que se desarrollaron y evolucionaron a partir de una membrana celular plegada que encerró la región de la fotosíntesis. Sin embargo, no puede explicar por qué las mitocondrias, los cloroplastos y las bacterias comparten tantas similitudes en la estructura del ADN y la síntesis de proteínas. También resulta difícil explicar las fuentes de ADN y ribosomas para las mitocondrias y los cloroplastos. Por lo tanto, la teoría endosimbiótica sigue siendo la explicación más ampliamente aceptada para el origen de los cloroplastos.