釀酒過程中的發酵過程將葡萄汁變成酒精飲料。 在發酵過程中，酵母將果汁中的糖分轉化為乙醇和二氧化碳（作為副產品）。 在釀酒過程中，發酵的溫度和速度以及發酵開始時葡萄汁中的氧氣含量是重要的考慮因素。 在此階段也可能發生發酵停滯和出現幾種葡萄酒缺陷的風險，初級發酵可能持續 5 到 14 天，二次發酵可能持續 5 到 10 天。 發酵可以在不銹鋼罐中進行，這在雷司令等許多白葡萄酒中很常見，也可以在敞開的木桶中、在酒桶內和酒瓶內進行，就像許多起泡酒的生產一樣。

發酵的自然發生意味著它很可能在很久以前就被人類首次觀察到。 與釀酒相關的發酵一詞最早是指葡萄汁中明顯的沸騰，這是由于酵母對葡萄汁中的糖分進行厭氧反應并釋放出二氧化碳。 拉丁文 fervere 的字面意思是煮沸。 在 19 世紀中葉，路易斯·巴斯德 (Louis Pasteur) 注意到酵母與發酵過程之間的聯系，在發酵過程中，酵母通過一系列將糖轉化為酒精的反應充當催化劑和介質。 Gustav Embden、Otto Fritz Meyerhof 和 Jakub Karol Parnas 在 20 世紀初發現的 Embden-Meyerhof-Parnas 途徑對理解糖轉化為酒精的復雜化學過程做出了更大的貢獻。 2010 年代初，葡萄酒科技公司發明了一種自動化釀酒設備，可以在類似于一次性生物反應器的一次性內襯中發酵。

在釀酒過程中，酒窖、葡萄園和葡萄本身自然存在的環境酵母（有時稱為葡萄開花或紅暈）和專門分離和接種用于釀酒的培養酵母之間存在區別 . 在釀酒中發現的最常見的野生酵母屬包括念珠菌屬、Kl?ckera/Hanseniaspora、Metschnikowiaceae、Pichia 和 Zygosaccharomyces。 野生酵母可以釀造出高品質、風味獨特的葡萄酒； 然而，它們通常是不可預測的，可能會給葡萄酒帶來不太理想的特性，甚至會導致腐敗。 很少有酵母、乳酸菌和醋酸菌菌落自然地生活在葡萄表面，但傳統的釀酒師，尤其是歐洲的釀酒師，提倡使用環境酵母作為該地區風土的特征； 然而，許多釀酒師更喜歡使用可預測的培養酵母來控制發酵。 最常用于釀酒的培養酵母屬于釀酒酵母（也稱為糖酵母）種。 在這個物種中有數百種不同的酵母菌株，可在發酵過程中使用它們來影響過程的熱量或活力，并增強或抑制該品種的某些風味特征。 使用不同的酵母菌株是葡萄酒多樣性的主要貢獻者，即使是同一葡萄品種也是如此。 作為替代方案，非釀酒酵母酵母在行業中被更普遍地使用，以增加葡萄酒的復雜性。 酒廠運營多年后，很少有酵母菌株積極參與發酵過程。 活性干酵母的使用通過與天然存在的菌株競爭來減少自發發酵中出現的菌株的多樣性。

通常添加培養酵母時，酵母首先處于干燥或非活性狀態，然后在添加到葡萄汁中之前在溫水或稀釋的葡萄汁中重新激活。 為了在發酵中茁壯成長和活躍，酵母需要獲得持續供應的碳、氮、硫、磷以及各種維生素和礦物質。 這些成分天然存在于葡萄汁中，但可以通過向葡萄酒中添加營養物質來調整它們的含量，從而為酵母營造更有利的環境。 新配制的緩釋營養素，專為葡萄酒發酵而制造，為酵母提供了最有利的條件。 氧氣也是必需的，但在釀酒過程中，氧化風險和含氧酵母缺乏酒精生產需要將氧氣暴露保持在最低限度。

在將活性酵母引入葡萄汁后，磷酸鹽附著在糖上，六碳糖分子開始分裂成三碳分子并經歷一系列重排反應。