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Nestes grupos, o cloroplasto é rodeado por duas membranas que se pensa terem origem na cianobactéria endosimbionte. Os glaucófitos possuem cloroplastos muito primitivos (denominados "cianelos"), muito semelhantes aos das cianobactérias e mantendo ainda a camada de peptidoglicano entre as duas membranas. Os cloroplastos das algas vermelhas têm uma pigmentação mais próxima das cianobactérias actuais. As algas verdes e as plantas "superiores" tem cloroplastos com clorofilas a e b, esta última encontrada em algumas cianobactérias, mas não na maioria. Estes fatos indicam que provavelmente estes três grupos de plantas têm origem num antepassado comum – uma espécie de alga com uma cianobactéria endossimbionte.

Há dois outros grupos de organismos com clorofila b – as Euglenophyta e as Chlorarachniophyta – mas nestes grupos, os cloroplastos são rodeados, respectivamente, por três e por quatro membranas, que se pensa serem provenientes do próprio ensossimbionte. Os cloroplastos dos Chlorarachniophyta contêm um nucleomorfo reduzido, que poderia ser um resíduo do núcleo do endossimbionte, o que indica que provavelmente são originários de uma alga eucarionte que já possuía cloroplastos. Há uma teoria segundo a qual os cloroplastos da Euglena têm apenas três membranas por terem sido adquiridos por mizocitose em vez de fagocitose.

Os restantes grupos de algas têm cloroplastos com clorofilas a e c – que não são conhecidas em nenhum procarionte, nem nos cloroplastos primários. No entanto, algumas semelhanças genéticas entre estes grupos e as algas vermelhas sugerem que existem relações evolutivas entre todos. São os seguinte estes grupos:

Heterokonta (divisão Heterokontophyta) incluem as algas douradas, diatomáceas e algas castanhas;
Haptophyta ou Prymnesiophyta, que têm pigmentos semelhantes aos Heterokonta, mas a estrutura das células é muito diferente, tipicamente com dois flagelos ligeiramente diferentes um do outro e um outro organelo chamado "haptonema", que é