Cơ chế hình thành khí sinh học trong hệ thống biogas gồm 4 giai đoạn:

- Giai đoạn 1 - Thủy phân chất hữu cơ: Trong điều kiện kị khí, enzyme của các vi sinh vật kị khí phân hủy chất hữu cơ phức tạp thành các chất hữu cơ đơn giản như ethanol, các acid béo (acetic acid, lactic acid,...) và các khí CO2, H2 và NH3.

- Giai đoạn 2 - Giai đoạn acid hóa (giai đoạn lên men): Nhờ các vi khuẩn Acetogenic mà các chất ở giai đoạn 1 được chuyển hóa thành các acid béo có phân tử lượng thấp hơn và một ít khí CO2, H­2. Độ pH ở giai đoạn này khá thấp (<5).

- Giai đoạn 3 - Giai đoạn acetate hóa: Các acid hữu cơ tiếp tục được phân giải để tạo thành acetic acid, CO2 và H2 nhờ vi khuẩn acetate. Độ pH của môi trường dịch bể phân hủy chuyển sang kiềm và tối ưu ở khoảng 6,8 – 7,8.

- Giai đoạn 4 - Hình thành khí methane: Hình thành hỗn hợp khí sinh học, trong đó khí methane chiếm chủ yếu và một số khí khác như N2, H2, H2S. Quá trình này diễn ra đồng thời theo 3 con đường.