发酵是葡萄酒酿造的生物过程，也是将葡萄浆果转化为葡萄酒的主要步骤。它涉及酵母菌将糖转化为酒精和发酵副产物即乳酸菌将苹果酸分解为乳酸两个生物现象，即酒精发酵和苹果酸-乳酸发酵。只有当葡萄酒中不再含有可发酵糖和苹果酸时，它才被认为获得了生物稳定性。
对于红葡萄酒，这两种发酵必须彻底。苹果酸-乳酸发酵是必须的：苹果酸-乳酸发酵可降低酸度（将二元酸转化为一元酸），同时降低生酒的生青味和苦涩感，使之更为柔和、圆润、肥硕。
而对于白葡萄酒情况则较为复杂：对于含糖量高的葡萄原料，酒精发酵应在酒-糖达到其较佳平衡点时中止，同时避免苹果酸-乳酸发酵；对于干白葡萄酒，有的需要在酒精发酵结束后进行苹果酸-乳酸发酵，而对于那些需要果香味浓、清爽的干白葡萄酒则不能进行苹果酸-乳酸发酵。总之，对于那些需要进行酒精发酵和苹果酸-乳酸发酵的葡萄酒，重要的是酒精发酵和苹果酸-乳酸发酵不能交叉进行，因为乳酸菌除分解苹果酸以外，还可分解糖而形成乳酸、醋酸和甘露糖醇，这就是乳酸病。
很幸运的是，葡萄汁是一种更利于酵母菌生长的培养基，乳酸菌的生长受到它的酸度和酒精的抑制。因此，一般情况下，当乳酸菌开始活动时，所有的可发酵糖都被酵母菌消耗完了。但有时也会出现酒精发酵困难甚至中止的现象。
葡萄酒工艺师的任务就是，使酒精发酵迅速、彻底，并且在酒精发酵结束后，（在需要时）立即启动苹果酸-乳酸发酵。所以，需要促进酵母而暂时抑制乳酸的活动。但是对的抑制也不能太强烈，否则就会使苹果酸-乳酸发酵推迟，甚至完全抑制苹果酸-乳酸发酵。
乳酸的抑制剂是二氧化硫。应尽早将其加入在破碎后的葡萄原料或葡萄汁中。这就是二氧化硫处理。二氧化硫的用量根据原料的卫生状况、含酸量、pH值和酿造方式不同而有所差异，一般为30-100mg/L（葡萄汁）。由于二氧化硫还具有抗氧化、抗氧化酶和促进絮凝等作用，所以在白葡萄酒的酿造时，其用量较高，以防止氧化，并促进葡萄汁的澄清。
目前，二氧化硫几乎是葡萄酒工艺师所能使用的的抑制剂。但在使用时，必须考虑其对酒精发酵的作用。葡萄的酒精发酵可自然进行。这是因为在成熟葡萄浆果的表面存在着多种酵母菌。这些酵母菌在葡萄破碎以后会迅速繁殖。由于各种酵母菌抵抗二氧化硫的能力不同，所以二氧化硫对酵母菌有选择作用，也可抑制所有的酵母菌。因此，在多数情况下，可通过选择二氧化硫的使用浓度，来选择优质野生酵母（通常为葡萄酒酵母Saccharomycesellipsoideus），也可杀死所有的野生酵母，而选用特殊的人工选择酵母（如增香酵母、非色素固定酵母等）。
一旦葡萄原料通过二氧化硫处理和加入选择酵母后，葡萄酒工艺师就应促进酵母菌的生长及其发酵活性。在这个过程中，葡萄酒工艺师应对两个因素进行控制。一个因素是温度。温度一方面影响酵母菌的繁殖速度极其活力，另一方面影响酒精发酵。温度高于40℃，酵母菌就会死亡；温度高于30℃，发酵中止的可能性就会加大。因而，符合酵母菌生物学要求和葡萄酒工艺学要求的温度范围为18-30℃。另一个因素是氧。在添加酵母前的一系列处理过程中，葡萄汁所溶解的氧，很快就被基质中的氧化酶所消耗。留给酵母菌的氧则很少。因而酵母菌的繁殖条件至少部分地为厌氧条件。在厌氧条件下，酵母菌的生存和繁殖的主要因素为细胞中的固醇和非饱和性脂肪酸。但这两者的生物合成就必须氧。因此，必须为酵母菌供氧。供氧的较佳时间为入罐后酒精发酵以前。在这个时候，如果我们希望酒精发酵迅速彻底，就必须进行一次开放式倒罐。
在酒精发酵结束以后，接着登场的就是乳酸。由于葡萄酒的酸度高、pH值低、酒度高，不利于乳酸菌的活动，苹果酸-乳酸发酵的控制就比较困难。为了促进苹果酸-乳酸发酵的顺利进行，可在酒精发酵时，对几罐的原料不进行二氧化硫处理，并进行轻微的化学降酸，在酒精发酵结束后，用这几罐的葡萄酒与其它罐的葡萄酒混合，同时防止温度过低，应将温度控制在18-20℃。在苹果酸-乳酸发酵结束后，应立即进行二氧化硫处理，防止乳酸菌分解戊塘和酒石酸。
很显然，酒精发酵并不仅仅是将糖转化为乙醇，它同时对香气起着非常重要的作用。正是在这一阶段，才使葡萄汁具有了葡萄酒的气味。一般认为，葡萄酒芳香物质的含量为其形成的酒精量的1%左右。工艺师的作用就是促进这些芳香物质的形成，并且防止它们由于二氧化碳的释放而带来的损失。
在发酵结束后，葡萄酒的生物化学阶段也就结束了。酿造的第二阶段则是物理化学阶段。这一阶段的作用是将生葡萄酒转化为可供消费者享用的成熟葡萄酒。