O gás carbônico necessário à fotossíntese penetra nas folhas através de estruturas denominadas estômatos. Cada estômato compõe-se de duas células epidérmicas em forma de grão de feijão ou de haltere com uma abertura regulável entre elas. As duas células que delimitam cada estômato caracterizam-se por conter muitos cloroplastos, sendo denominadas células-guarda. Ao seu redor há um número variável de células subsidiárias, destituídas de cloroplastos, como as demais células epidérmicas. Entre as células-guarda de um estômato há um orifício regulável - o ostiolo que permite trocas gasosas entre a planta e o ambiente. A abertura e o fechamento do estômato dependem do grau de turgidez das células-guarda. Ao absorver água tornando-se túrgidas, o ostiolo entre elas se abre. Ao perderem água, tornando-se flácidas, o ostiolo entre elas se fecha. Esse comportamento se deve à disposição estratégica das fibras de celulose na parede das células-guarda do estômato. Na maioria das plantas, as células-guarda do estômato têm forma de rim. As microfibrilas de celulose estão orientadas de tal maneira na parede celular que as células-guarda, ao tornarem-se túrgidas, aumentam sua curvatura e se afastam, fazendo o ostíolo abrir. Ao perderem água, as células-guarda têm sua curvatura diminuída e elas se aproximam, fazendo o ostíolo fechar.Quando as células-guarda perdem água, as extremidades diminuem de volume e as regiões medianas das células aproximam-se. fechando o ostiolo. Ao abrir os estômatos e permitir o ingresso de gás carbônico na folha. a planta também passa a perder maior quantidade de água; em outras palavras, sua taxa de transpiração aumenta. Mesmo com os estômatos totalmente fechados, ocorre uma certa taxa de transpiração através da cutícula das folhas, denominada transpiração cuticular. Quando os estômatos se abrem, soma-se à transpiração cuticular a perda de água pelos estômatos, chamada de transpiração estomática.
Os estômatos abrem-se quando a planta é submetida a baixas concentrações de gás carbônico e fecham-se quando a concentração desse gás se eleva. Esse comportamento é interpretado como uma adaptação relacionada à fotossíntese: se há acúmulo de CO2, no mesofilo provavelmente significa que esse gás não está mais sendo usado para a fotossíntese devido à falta de luz, sinalizando que os estômatos podem ser fechados. A disponibilidade de água no solo, ou seja, o suprimento hídrico de que a planta dispõe, exerce grande influência sobre os movimentos dos estômatos. Se não há água suficiente para a planta, os estômatos se fecham, mesmo com luz disponível para a fotossíntese e com baixa concentração de gás carbônico no mesofilo.
Os movimentos de abertura e de fechamento dos estômatos devem-se à entrada e à saída de íons potássio (K+) nas células-guardas. Em presença de luz ou sob baixa concentração de gás carbônico, íons K+ são bombeados das células subsidiárias para o interior das células-guarda, O aumento da concentração desse íon faz com que as células-guarda absorvam água por osmose, tornando-se túrgidas e abrindo o ostíolo. Na ausência de luz ou sob altas concentrações de CO2, as células estomáticas perdem íons K+ para as células subsidiárias; com isso, diminui sua pressão osmótica e elas perdem água, tornando-se mais flácidas e fechando o ostíolo.