กระบวนการผลิตก๊าซชีวภาพเป็นกระบวนการแบบไม่ใช้อากาศ ประกอบด้วยปฏิกิริยา 4 ขั้นตอนหลัก ซึ่งรวมเรียกว่า Anaerobic digestion ซึ่งมีรายละเอียดของปฏิกิริยาแต่ละขั้นตอน ดังนี้
1.1 Hydrolysis
เป็นขั้นตอนที่ย่อยสลายสารโมเลกุลสารประกอบอินทรีย์เชิงซ้อนขนาดใหญ่ให้ เปลี่ยนไปอยู่ในรูปที่ละลายน้ำได้ มีความซับซ้อนน้อยลง และขนาดโมเลกุลเล็กลง สำหรับน้ำเสียประเภทแป้งจะเป็นการเปลี่ยนแป้งเป็นน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว และน้ำตาลโมเลกุลคู่
1.2 Acidogenesis
ขั้นตอนนี้จะย่อยสลายสารที่ได้จากขั้นตอนแรกให้เป็นกรดอินทรีย์ชนิดโมเลกุล เล็ก เช่น กรดอะซิติก (Acetic acid) กรดโพไพโอนิก (Propionic acid) กรดวาเลอริก (Valeric acid) และกรดแลคติก (Lactic acid) โดยกรดทั้งหมดจะมีสัดส่วนของ กรดอะซิติก สูงที่สุด นอกจากนี้ยังเกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และไฮโดรเจน ส่วนอื่น ๆ ที่อาจเกิดขึ้นเล็กน้อยคือ แอมโมเนีย ไฮโดรเจนซัลไฟด์แอลกอฮอล์
1.3 Acetogenesis
ขั้นตอนนี้จะย่อยสลายสารประกอบต่อ ให้เป็นกรดไขมันระเหยง่ายที่มีอะตอมไม่เกินสองอะตอม ผลิตภัณฑ์ที่ได้ประกอบด้วยกรดอะซิติก ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซไฮโดรเจน
1.4 Methanogenesisเป็นขั้นตอนที่เปลี่ยนผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการย่อยสลายในขั้นตอนที่ผ่านมาให้ เป็นก๊าซชีวภาพ โดยมีผลิตภัณฑ์คือ ก๊าซมีเทน ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ ไฮโดรเจนซัลไฟด์ และอื่นๆ