La mayoría de las microalgas son estrictamente fotosintéticas – esto es, necesitan luz y dióxido de carbono como fuente de energía y de carbono. Este modo de cultivo se denomina usualmente fotoautotrófico. Algunas especies de algas, sin embargo, son capaces de crecer en la oscuridad y usar carbono orgánico tal como glucosa o acetato como fuente de energía y carbono. Este cultivo se denomina heterotrófico. No obstante este modo de cultivo no es competitivo para la fabricación de biocombustibles.

Las microalgas fototróficas requieren luz, dióxido de carbono, agua y sales inorgánicos para crecer. La temperatura de cultivo estará entre 15 y 30 ºC para un crecimiento óptico. Al medio de crecimiento deben contribuir los elementos inorgánicos que ayudan a crecer las células de algas, tales como nitrógeno, fósforo, hierro, y a veces silicio. En la producción de microalgas a gran escala, las células de algas deben continuamente mezclarse para prevenir que la biomasa de las algas se asiente, y los nutrientes deben proporcionarse durante las horas de luz, cuando las algas se están reproduciendo.

Actualmente están disponibles diferentes sistemas de cultivos de microalgas fotoautotróficos. Por ejemplo, las algas pueden crecer en suspensión o fijadas en la superficie de suelo. Cada sistema tiene sus propias ventajas y desventajas. Actualmente, lagunas abiertas basadas en la suspensión y fotobioreactores se usan comúnmente para la producción de biocombustibles.