Bei der Vergärung von organischen Materialien durch verschiedene Arten von sogenannten anaeroben, d.h. sauerstoffmeidenden, Mikroorganismen entsteht ein Gasgemisch, das unter dem Sammelbegriff Biogas zusammengefasst wird. Dessen Hauptbestandteile sind Methan und Kohlendioxid in veränderlichen Anteilen. Dabei ist es das Methan, das energetisch genutzt wird. Je höher der Anteil an Methan, desto energiereicher und wertvoller ist das Biogas. Auch fossiles Erdgas enthält als Hauptkomponente Methan. Biogas setzt sich außer aus Methan und Kohlendioxid auch aus geringen Mengen Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoff und Stickstoff und je nach Ausgangsmaterial auch Spuren anderer Substanzen zusammen. Insbesondere Schwefelwasserstoff und Ammoniak sind chemisch aggressiv. Sie müssen vor der weiteren Verwendung von Biogas durch Reinigung des Gases entfernt werden. Ohne diese Reinigung würden beispielsweise Gasmotoren auf die Dauer geschädigt. Auch durch menschenunabhängige Prozesse ensteht übrigens ständig Biogas und entweicht in die Atmosphäre. Dies passiert unter anderem in Sümpfen, in gärenden Misthaufen und in den Pansen von Rindern und anderen Wiederkäuern.
Bei der technischen Herstellung von Biogas wird begrifflich zur Klarstellung der Herkunft des Gases zwischen sogenanntem Klärgas aus Abwasserkläranlagen, Deponiegas aus Abfalldeponien und Biogas im engeren Sinn unterschieden. Letzteres wird in der Regel aus pflanzlichem Ausgangsmaterial hergestellt. Als Ausgangsstoffe zur technischen Erzeugung eignen sich: vergärbare Reststoffe wie Klärschlamm, Speisereste und andere Haushalts-Bioabfälle, Gülle und Mist, anderweitig nicht verwertbare Pflanzen oder Pflanzenreste, die sonst auf den Feldern verbleiben würden, sowie gezielt angebaute Energiepflanzen. Landwirtschafliche Betriebe bieten daher ein großes Potential für die Produktion von Biogas. Außer bei dem gezielten Anbau von Energiepflanzen fällt dabei die Biomasse grundsätzlich ohne zusätzliche Kosten an. In der Gesamtbetrachtung müssen aber Sammel-, Transport- und Aufbereitungskosten berücksichtigt werden.
Die Mikroorganismen, die für die Entstehung von Biogas sorgen, sind grundsätzlich sehr anpassungsfähig. Daher können fast alle organischen Stoffe durch Verfaulen verwertet werden. Bei der kontrollierten Biogaserzeugung wird das Mengenverhältnis der verschiedenen Arten anaerober Mikroorganismen im wesentlichen durch die Zusammensetzung und den Wassergehalt der verwendeten Ausgangs-Biomasse, deren pH-Wert und die Temperatur bestimmt. Das genaue Zusammenspiel der Vielfalt an Mikroorganismen ist jedoch bisher nicht im Einzelnen bekannt. Daher beruht die Steuerung des Faulungsprozesses, bei dem natürlich die höchstmögliche Methanausbeute angestrebt wird, meist noch auf Erfahrungswerten. Verschiedene Forschungsprojekte sollen daher zur Klärung des genauen chemischen Ablaufs und der jeweils optimalen Zusammensetzung und Behandlung der Populationen von Organismen beitragen.
In Deutschland wird Biogas aufgrund der gesetzlich garantierten Vergütung durch das Eneuerbare Energien-Gesetz (EEG) bisher meist für Heizzwecke genutzt oder dient in Blockheizkraftwerken als Brennstoff zur Erzeugung von Strom. Biogas kann aber auch bis zur Erdgasqualität aufbereitet und dann direkt ins normale Gasnetz eingespeist oder als Treibstoff für Fahrzeuge mit Gasmotoren verwendet werden. Diese Verwendung ist in Ländern mit niedrigeren Strompreisen als in Deutschland rentabler. Da Biogas unabhängig vom Wind oder der aktuellen Sonneneinstrahlung erzeugt und gespeichert werden kann, lässt sich damit auch zwischen den erneuerbaren Energieträgern der notwendige Energiemix erreichen, mit dem Schwankungen im Energiebedarf ausgeglichen werden können.