发酵，是由酵母和真菌引起的一系列化学反应。酵母的主要作用是使葡萄汁进行发酵生成酒精，葡萄酒在发酵的过程中同时也会产生许多酚类物质。在葡萄酒酿造过程中酿酒师可以使用许多不同的操作来控制整个发酵的过程，而且对发酵不同批次的葡萄时，其操作也会有所不同。此外，不同品种或不同批次葡萄酒的调配也会导致最终酿成的葡萄酒有所不同。
一、酒精发酵（Alcoholic Fermentation）
这是一种在葡萄酒酿造过程中由酵母参与，将糖转化成酒精和二氧化碳的过程，而这个过程的另一个副产物就是热量和风味物质。如果外界温度低于5℃，酒精发酵便无法开始。而在合适的温度下，当所有的糖分消耗殆尽，或者酒精度过高（通常为15度）导致酵母死亡时，酒精发酵也会停止。如果温度达到35-38℃，酿酒师就可以通过多种方式停止酒精发酵了，如添加二氧化硫杀死酵母；或添加一些酒精，使葡萄酒的酒精度提升到15度；或冷却葡萄酒后过滤掉酵母。另外，如果酒精发酵初期的糖浓度很高，酒精发酵也会无法进行（如甜型葡萄酒的发酵）。
在一般情况下，酒厂酿造葡萄酒时会先将葡萄破碎后，再加入酵母进行酒精发酵。其中最重要的酵母菌株是酿酒酵母（Saccharomyces Cerevisiae），因为它可以忍受高含量的酒精度和二氧化硫，并且可以增加葡萄酒的香气。许多生产商会在葡萄酒酿造过程中通过添加二氧化硫的方式来抑制外界酵母（Ambient）的数量，并使用人工培养的酵母菌株来代替。因为外界酵母虽然可以令葡萄酒的香气更为精致，但是这种酵母却很少受酿酒师的控制；并且，一些不合适的酵母可能会产生一些不愉快的香气，最终导致酿好的葡萄酒无法进行销售。
酿酒师在葡萄酒酿造过程中为了更好的控制酒精发酵，他们会根据需要的风味特征来选择酵母菌株。当外界酵母被二氧化硫控制后，酿酒师会添加一些筛选好的酵母菌株，它们可以快速地控制酒精发酵。一些酿酒师认为，只使用一种酵母会减少葡萄酒风味的复杂性。
另外，在葡萄酒酿造过程中温度的控制对酿酒师来说也非常重要，因为在发酵过程中会产生热量，过热的环境可能会导致酵母菌死亡。低温发酵可以避免一些精致香气的损失，促进白葡萄酒中水果风味的发展；而较高的发酵温度常与“咸香”风味联系起来，且对颜色浸渍和单宁提取来说都非常重要。酿酒师们通常会通过监控发酵罐（发酵桶）的温度，来确保发酵在合适的温度下进行。精确的温度控制，对最终酿成葡萄酒的品质非常重要。
二、苹果酸-乳酸发酵（Malolactic Fermentation，简称MLF）
在葡萄酒酿造过程中，一旦酒精发酵结束，葡萄酒中的苹果酸-乳酸就会开始发酵。乳酸菌会将葡萄酒中的苹果酸转化为乳酸，并产生风味物质和二氧化碳。所有的红葡萄酒都会进行苹果酸-乳酸发酵，但是有一些白葡萄酒会避免这个过程。苹果酸-乳酸发酵可以柔化葡萄酒的尖酸味道，并降低酸含量，这个过程也是一些风味物质（如黄油、榛子）的来源。另一方面，一些纯净、新鲜的水果香味也会随之消失，白葡萄酒会变得丰富、圆润、柔顺，不过新鲜的味道会减弱。如果酒精发酵后不添加二氧化硫，或者适当升高温度，可以促进苹果酸-乳酸发酵的进行。反之，添加二氧化硫，过滤葡萄酒中的菌类，低温的环境也会阻止苹果酸-乳酸发酵的进行。
