稻田甲烷是土壤中有机碳经过一系列复杂转化过程的产物，这些过程及转化需要一定的土壤环境条件及相关的土壤微生物参与。在稻田土壤中，参与稻田甲烷排放的微生物主要有产甲烷菌、甲烷氧化菌、氨氧化菌及硫酸盐还原菌等。

甲烷产生是一个在厌氧环境下的微生物过程。由于甲烷产生需要严格的厌氧环境，除常年淹水的冬灌稻田全年排放甲烷外，在非水稻生长期排水的稻田只在水稻生长季节的淹水时期排放甲烷。在淹水稻田生态系统中，水土界面的下层土壤一般为无氧区。在此无氧区域，微生物将稻田土壤与植物根系提供的有机质分解，产生乙酸或氢气和二氧化碳，最终在产甲烷菌的作用下形成甲烷。稻田中有机物质主要包括有机肥料、动植物残体、土壤腐殖质和其他有机物以及植株根系的脱落物和分泌物等，被各类细菌组成的食物链转化成简单的产甲烷前体，并在严格的厌氧条件下，被产甲烷菌利用形成甲烷。其中，稻田有机物质含量在很大程度上决定了甲烷的产生量。

稻田土壤即使在淹水条件下也并不均匀地处于还原状态。水稻根系分泌出的氧气在根周围形成氧化层；大气中的氧气在水层中扩散，使得水土界面形成很薄的氧化层。当下层土壤无氧区域内产生的甲烷扩散进入有氧区域时，大量甲烷被甲烷氧化菌氧化。在有微量甲烷存在的情况下，许多氨氧化细菌可产生二氧化碳，并能同化碳为细胞物质。

未被有氧区域氧化的甲烷一般通过三种途径进入大气：①通过植株的通气组织排放进入大气。水稻植株通气组织可以将大气中的氧气向植株根系传输以维持水稻的生长，同时，稻田土壤中产生的甲烷绝大部分也可以通过水稻植株的通气组织排入大气。②形成含甲烷的气泡，气泡上升至水面破裂而将甲烷排入大气中。当土壤溶液中甲烷已经达饱和，来不及扩散的甲烷气体会合并成甲烷气体分子团，形成富含甲烷的气泡，在浮力的作用下，气泡穿透有氧层到达水气界面后破裂，然后释放甲烷。③通过在水体中的扩散作用进入大气。甲烷浓度在水层不同深度存在着明显的梯度，部分甲烷通过液相扩散向大气中排放。