我们知道植物可以进行光合作用，即将二氧化碳和水转化成有机物，并释放出氧气。它是生物界赖以生存的基础，是生物界最基本的物质代谢和能量代谢。光合作用可以分为光反应阶段和暗反应阶段。光反应就是叶绿素将光能转化化学能，同时生成ATP（能量分子）以及水光解成氧气和[H]的过程。暗反应就是二氧化碳固定成C3化合物，同时生成糖分子（CH2O）的过程。
由于二氧化碳在暗反应中最终被固定成了C3化合物，所以科学家将这种二氧化碳固定的途径称为C3途径。然而科学家在研究的过程中却发现植物光合作用不只有这一个途径，还有C4途径和CAM途径。因此，科学家把通过C3途径进行光合作用的植物叫C3植物，C4途径的叫C4植物，CAM途径的称为CAM植物。
在暗反应过程中，二氧化碳会和二磷酸核酮糖（C5化合物）结合，然后生成一个含有6个C的分子，但是这个分子很不稳定，会立刻分解成2个C3化合物（3-磷酸甘油酸），然后在一系列的生物化学反应后，生成糖类。这种固定碳的方式称为C3途径。
但是，在这一途径中需要一种Rubisco酶的催化，这种酶不能识别进入细胞里面的是氧气还是二氧化碳，如果遇到二氧化碳,就把二氧化碳加到二磷酸核酮糖上(羧化),如果遇到氧,就把氧加到二磷酸核酮糖上(加氧)。由于空气中氧气含量大于二氧化碳含量，尽管这种酶对二氧化碳的亲和力较好，但还是大大降低了光合作用的效率。虽然大多数植物都能习惯这样的固碳方式，但是在炎热干旱的条件下,这种低效率固碳方式就很不利了。
为了生存，有些植物就演化出了另一种固碳方式。它们利用对二氧化碳具有高亲和力的PEPcase（磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶）进行固碳。PEPcase羧化酶能很好地区分二氧化碳和氧气,它只参与二氧化碳的固定,生成苹果酸或天门冬氨酸。由于苹果酸或天门冬氨酸含有4个碳原子,所以这种固碳途径称为C4途径，相应的植物称为C4植物。但是这种C4化合物并不能直接变成植物所需的糖类，那怎么办呢？
原来这些C4化合物被合成后就会被运到维管束鞘细胞，在酶的作用下释放先前固定的二氧化碳，然后在藏在这里的Rubisco酶的作用下源源不断地合成糖类。
自然界中常见的C4植物包括玉米，高粱，甘蔗，狗尾草，白茅，小米(粟)，另外圆果雀稗，宽叶雀稗，孔雀稗，单枝稗，多属稗，顶生须芒草，南迪狗尾草，纳罗克狗尾草，华丽狗尾草，多穗虎尾草，四穗虎尼草，二穗虎尾草，伯拉草，甜根草，红苋，刺苋，马齿菜，狗舌草等也属于C4植物，而小麦，水稻，大豆，苦竹，烟草，棉花，银杏，雪松，冷杉，银杉等则属于C3植物。
C3植物的稳定碳同位素为-22‰----30‰，平均-27‰；C4植物的稳定碳同位素为-9‰----19‰，平均-14‰。因此可用于古人类食谱研究，以及气候变化引起的植被覆盖变化研究。