La fermentazione è un processo naturale che consente la trasformazione del succo dell'uva - il mosto - in vino. La fermentazione alcolica, o primaria, si può considerare come una reazione a catena di fenomeni chimici. Durante questi processi, lo zucchero contenuto nel succo dell'uva è convertito dagli enzimi dei lieviti in alcol etilico e anidride carbonica. Dipendentemente dal tipo di lievito, dalla conversione dello zucchero si ottiene circa il 60% di alcol, 35% di anidride carbonica, 3% di glicerolo e 2% di altri sottoprodotti. Questo complesso processo, per secoli incompreso, produce anche altre sostanze, di fatto considerate come dei “sottoprodotti”, e che svolgono un ruolo essenziale nelle qualità aromatiche e gustative del vino. Fra questi sottoprodotti i più importanti sono acetaldeide, acido acetico, acetato d'etile, glicerolo e altri tipi di alcol. Questi prodotti “secondari” sono infatti essenziali allo sviluppo delle qualità aromatiche di ogni vino e, dipendentemente da come è stata svolta la fermentazione alcolica, gli aromi possono affinarsi oppure deteriorarsi. 
 

La fermentazione è un processo estremamente complesso che si sviluppa in oltre trenta reazioni successive provocate dagli enzimi dei lieviti, i microorganismi unicellulari che sfruttano gli zuccheri presenti nel mosto per assicurare la propria crescita e moltiplicazione. Il tipo di lievito più comunemente utilizzato in enologia è il Saccharomyces Cerevisiae, utilizzato anche per la fermentazione della birra e per la lievitazione del pane. L'intero processo è svolto in condizioni anaerobiche, cioè in assenza di ossigeno, pertanto i lieviti producono energia attraverso la conversione di zuccheri. Nelle fasi iniziali della fermentazione, i lieviti svolgono una respirazione aerobiotica, utilizzano cioè l'ossigeno presente nel mosto, trasformando gli zuccheri in acqua e anidride carbonica. Quando nel mosto si esaurisce l'ossigeno, inizia la fermentazione vera e propria - un processo svolto in condizioni anaerobiche - durante la quale i lieviti producono energia attraverso l'ossidazione degli zuccheri trasformandoli in alcol etilico, anidride carbonica e altri prodotti secondari.

La qualità e la quantità delle sostanze primarie e secondarie prodotte durante la fermentazione, dipendono largamente dalle condizioni che si verificano durante questo processo. È di fondamentale importanza che il mosto si trovi nelle migliori condizioni possibili prima dell'avvio della fermentazione, in particolare, è essenziale che questo non sia ossidato. Per questo motivo, è molto importante che la fermentazione del mosto sia avviata prima possibile, subito dopo le normali operazioni di stabilizzazione, defecazione e chiarificazione. In questa fase il mosto è infatti particolarmente sensibile agli attacchi di batteri, alterazioni causate da attività microbiche e all'ossidazione. Per questo motivo è essenziale che la durata della fase prefermentativa sia ridotta il più possibile e che il mosto sia adeguatamente protetto mediante l'aggiunta di anidride solforosa. Questa pratica consente infatti di svolgere le operazioni di defecazione e chiarificazione del mosto senza rischiare il suo deterioramento.

È inoltre di fondamentale importanza che la fermentazione sia svolta secondo i tempi tipici di questo processo, un tempo che - dipendentemente dal tipo di mosto, dalle operazioni svolte per la sua stabilizzazione e dalla qualità dell'uva - può variare tra i 5 e i 15 giorni. Una fermentazione svolta troppo lentamente può infatti produrre sostanze secondarie responsabili di gusti e aromi “ordinari” e un'eccessiva quantità di acidità volatile. Viceversa, se la fermentazione è svolta troppo rapidamente, questo provocherà un eccessivo aumento della temperatura causando la perdita di aromi - che si disperderanno con l'enorme quantità di anidride carbonica che si sviluppa - con il risultato di ottenere un vino ordinario e privo di qualità organolettiche gradevoli. La temperatura svolge un ruolo fondamentale per il buon svolgimento della fermentazione. Dipendentemente dal tipo di vino che si intende produrre, è essenziale che la temperatura sia mantenuta costante entro uno specifico intervallo, come vedremo più avanti. 
 

Una temperatura troppo bassa - solitamente inferiore ai 15° C - impedisce infatti l'avvio e lo svolgimento della fermentazione, aumentando i rischi dell'ossidazione o, nel caso di vini rossi, un'insufficiente estrazione del colore. Temperature troppo elevate provocano invece uno svolgimento della fermentazione troppo rapido con il rischio di ottenere un vino grossolano e piuttosto ordinario, privo di ogni qualità di finezza. Una temperatura eccessivamente alta provoca inoltre il blocco della fermentazione e addirittura la morte dei lieviti. La temperatura è inoltre importante durante l'aggiunta dei lieviti selezionati nel mosto. È importante che la temperatura dei lieviti selezionati sia il più uguale possibile a quella del mosto al quale saranno aggiunti, poiché eccessive differenze di temperatura possono provocare la morte di gran parte dei lieviti, rendendo quindi vana questa operazione. Infine, è opportuno ricordare che i lieviti selezionati vanno aggiunti al mosto prima dell'inizio della fermentazione.