通常由多种不同生理特性的微生物，如水解菌、产酸菌、互营菌和产甲烷菌等共同作用，不断降解生物质并最终形成甲烷（CH₄）等简单化合物的过程。甲烷形成是生物质降解的最后一步，在地球碳循环中具有重要作用。广泛发生于其他电子受体如氧气、硫酸盐、硝酸盐、铁氧化物等被快速消耗的缺氧环境，如海洋、湖泊、陆地、水稻土、人体和植物等。

与有氧呼吸不同，产甲烷菌厌氧呼吸的终端电子受体是二氧化碳而非氧气或其他氧化性电子受体。通常，产甲烷菌产甲烷代谢利用的碳形式主要为二氧化碳和乙酸。但在不同环境中，产甲烷菌也可利用甲酸、甲醇、甲硫醇、甲胺、二甲基硫醚和四甲基铵等甲基化合物。产甲烷菌利用二级醇、甲氧基芳香化合物产甲烷的过程也有报道。

产甲烷过程因独特的生化代谢过程而不同于有氧呼吸和普通的发酵。首先，传统理论认为产甲烷代谢具有高度专一性，只能由广古菌门中的产甲烷菌等少数原核生物催化形成。其次，产甲烷菌还原C₁和C₂化合物产甲烷的过程是在严格厌氧条件下由多种酶参与的复杂生化反应。其中包括C₁载体辅酶甲烷呋喃（MF）、四氢甲烷蝶呤（H₄MPT）、四氢八叠甲烷蝶呤（H₄SPT）、巯基辅酶M（HS—CoM），电子载体辅酶铁氧化还原蛋白（Fd）、巯基辅酶B（HS—CoB）、辅酶F430、细胞色素、黄素（FAD）、甲烷吩嗪（MP）、辅酶F420以及甲基辅酶M（Mcr）和异二硫化合物还原酶（Hdr）等关键酶。

代谢途径则主要分为三种：①二氧化碳还原途径。也称之为氢营养型产甲烷途径。即产甲烷菌利用氢气提供电子还原二氧化碳产甲烷。绝大多数产甲烷菌均可以执行此路径，也有些产甲烷菌可利用甲酸或者一氧化碳提供电子还原二氧化碳。②乙酸裂解产甲烷途径。甲烷八叠球菌能够裂解乙酸，还原乙酸的甲基碳产甲烷，同时氧化羧基碳产二氧化碳，乙酸裂解产甲烷是自然界生物产甲烷的主要来源。③甲基营养型产甲烷途径。主要包括两种模式，即以氢气为电子供体还原甲基化合物甲基基团的氢气依赖性模式和以氧化部分甲基化合物来形成二氧化碳和还原当量用以还原另一部分甲基基团产甲烷模式。

缺氧环境的产甲烷过程是大气甲烷排放的主要来源。