Biogas entsteht bei der anaeroben (sauerstofffreien) Vergärung organischen Materials, also bei der Vergärung von Anbaubiomasse oder Reststoffen (zum Beispiel Maissilage, Gras, Gülle, und Abfälle) in Biogasanlagen. Hierbei wird die Biomasse über verschiedene Zwischenstufen mit Hilfe von unterschiedlichen Bakterien zu Biogas fermentiert. [WeSc17, S. 551 ff.]

Es handelt sich dabei um einen komplexen biochemischen Prozess. Die zentralen Schritte laufen in der Regel gemeinsam in einem Fermenter ab. Den ersten Prozessschritt bildet die Hydrolyse. Dabei werden die Kohlenstoffverbindungen (wie Kohlenhydrate oder Fette) mit von den Bakterien gebildeten Enzymen in einfachere organische Verbindungen (wie Zucker oder Fettsäuren) aufgespalten. Den zweiten Schritt bildet die Acidogenese. Dabei werden die zuvor gebildeten Verbindungen durch säurebildende Bakterien zu niederen Fettsäuren, Kohlendioxid und Wasserstoff abgebaut, wobei sich auch Milchsäure sowie Alkohol in geringen Mengen bildet. Daraufhin folgt die Acetogenese, in welcher die acetogenen Bakterien Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid bilden. Der letzte Schritt ist dann die Methanogenese. Die Methanbakterien wandeln hier die Essigsäure und den Wasserstoff in Methan um. [WeSc17, S.551 ff.]

Insgesamt benötigen die verschiedenen beteiligten Bakterien sehr unterschiedliche Umgebungsbedingungen, weshalb eine räumliche Trennung der Prozessschritte möglich ist, um die Biogaserzeugung zu optimieren (hier wird dann von unterschiedlich-stufigen Anlagen gesprochen) [WeSc17, S.553]. Im Mai 2021 wurden in Deutschland 232 Biogasanlagen betrieben [dena21, S.4]. Die Anlagen können mit unterschiedlichen Substraten betrieben werden, welche jeweils unterschiedlich hohe Biogaserträge sowie verschiedene Methananteile erzielen [FNR20, S.42].

Biogas besteht je nach Ausgangssubstrat zu 50 bis 75 Volumenprozent aus Methan und zu ungefähr einem Drittel aus Kohlendioxid. Daneben enthält es je nach Ausgangsbedingungen geringe Mengen an Wasserdampf, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoff, sowie weitere Spurengase. Da der Methangehalt den Energiegehalt des Biogases bestimmt, sollte er möglichst hoch sein. Der Methangehalt von Maissilage liegt bei etwa 52 Prozent, während er bei Schweinegülle bei etwa 60 Prozent liegt [FNR20, S.42]. Das Biogas kann anschließend so aufbereitet werden, dass es chemisch identisch mit Erdgas ist und somit als Biomethan ins bestehende Erdgasnetz eingespeist oder in Erdgasfahrzeugen direkt genutzt werden kann. Die Aufbereitung ist entweder durch die Abtrennung von Kohlendioxid oder durch eine Anreicherung mit Methan (zu einer Methankonzentration von 90 bis 96 Prozent) über verschiedene Verfahren möglich. [WeSc17, S.551 ff.] Anwendbare Aufbereitungsverfahren sind die Druckwasserwäsche, die chemische Absorption mit Aminlösungen, die physikalische Absorption mit organischen Lösungsmitteln, die Druckwechseladsorption,und das Membrantrennverfahren. Das Verfahren der kyrogenen Gastrennung wird in Deutschland weniger verwendet [FNR22c].

Wenn das Biogas in Biomethan umgewandelt wurde, beträgt der Heizwert des Biomethan etwa 50 Megajoule pro Kilogramm (entspricht 36 Megajoule pro Liter). [FNR20, S.34f.]