人工光合作用（英语：artificial photosynthesis）是模仿生物自然光合作用的一类化学过程，将阳光、水及二氧化碳转化为碳水化合物与氧气。人工光合作用一词通常指涉任何能够将太阳能捕捉并储存在燃料化学键的任何技术框架。将水转化为氢气和氧气的光催化水分解技术是人工光合作用的主要研究方向。另一研究领域为光驱动二氧化碳减排，这复制并延续了碳固定的研究。

此一研究领域包括太阳能燃料直接生产装置的设计与组装、光化学及其燃料电池之应用、以及由酵素与光养微生物应用于生质燃料与生质氢气之产制工程等。

光合作用反应能分成两个氧化还原之半反应，对于产生燃料是缺一不可的。在植物体的光合作用中，水分子借由光致氧化（即光反应）释放出氧气和质子。接着再借由与光无关的反应（即卡尔文循环）将二氧化碳转化为葡萄糖（燃料）。人工光合作用的研究者们正在开发能够催化此二反应之光触媒。除此之外，借由水分解所形成的质子可用于产氢。此类触媒必需能够快速反应并且吸附高百分比的附带太阳光子。

虽然光伏能够直接从阳光提供能源，然而借由光伏电力进行燃料生产（非直接过程）效率不彰，加上日间阳光照射并非恒定，因此这类方式有其局限性。使用自然光合作用的一种方法是生产生物燃料，这是一种间接过程，其能源转化效率低（由于光合作用自身将阳光转化为生物质的效率低），收割和运输燃料的成本，由于土地对粮食生产的需求日益增加而引起冲突。人工光合作用的目的是通过使用直接过程，从日光中产生可以方便地存储并在无法使用日光时使用的燃料，即产生太阳能燃料。随着能够复制光合作用主要部分的触媒发展，水和阳光最终将成为清洁能源生产的唯一来源。其唯一副产物是氧气，太阳能燃料的生产潜力可能比汽油便宜。

建立清洁和负担得起的能源供应的一种方法是开发在太阳光下分解光催化水。这种可持续制氢的方法是发展替代能源系统的主要目标。