Все водоросли хорошо различаются по набору фотосинтезирующих пигментов. Такие группы в систематике растений имеют статус отделов.
Основным пигментом всех водорослей является зеленый пигмент хлорофилл. Известно четыре типа хлорофилла, которые различаются по своей структуре: хлорофилл a – присутствует у всех водорослей и высших растений; хлорофилл b – встречается у зеленых, харовых, евгленовых водорослей и у высших растений: растения, содержащие этот хлорофилл, всегда имеют ярко-зеленую окраску; хлорофилл c – встречается у гетероконтных водорослей; хлорофилл d – редкая форма, встречается у красных и синезеленых водорослей. Большинство фотосинтезирующих растений содержат два разных хлорофилла, одним из которых всегда является хлорофилл a. В некоторых случаях вместо второго хлорофилла присутствуют билипротеины. У синезеленых и красных водорослей встречаются два вида билипротеинов: фикоцианин – синий пигмент, фикоэритрин – красный пигмент.
Обязательными пигментами, входящими в фотосинтетические мембраны, являются желтые пигменты – каротиноиды. Они отличаются от хлорофиллов спектром поглощаемого света и, как полагают, выполняют защитную функцию, предохраняя молекулы хлорофилла от разрушительного воздействия молекулярного кислорода.
Кроме перечисленных пигментов у водорослей встречаются: фукоксантин – золотистый пигмент; ксантофилл – бурый пигмент.