Esta é a etapa mais importante e mais complicada de todo o processo. Aqui, os químicos sao vitais. Entre outros, é necessario um rígido controle da temperatura, supressão de microorganismos indesejados, presença adequada de bactérias de fermentação, nutrição adequada para estas bactérias, prevenção da oxidação, etc.. A escolha da bactéria adequada para o tipo da uva é fundamental, e motivo de discordia entre varios enólogos. A mais comum é a Saccharomyces cerevisae, mas outras espécies deste mesmo gênero tambem tem sido vastamente utilizadas. Para cada ml do suco, utiliza-se uma população de cerca de 1 milhao de células de bactérias!
O controle da temperatura durante a fermentação alcóolica é necessário para (1) facilitar o crescimento das bactérias, (2) extrair os componentes de sabor e cor das cascas, (3) permitir o acúmulo de produtos laterais desejados, e (4) prevenir o exterminio das bactérias. A temperatura ideal para a maior parte dos vinhos é de cerca de 25oC. Mas esta etapa raramente é iniciada nesta temperatura, pois a fermentação naturalmente eleva a temperatura do suco, e os vinicultores devem evitar que esta ultrapasse a marca dos 30oC, onde as bactérias morreriam. Hoje este controle é automatizado, sendo que as pipas metalicas contém sistemas de troca de calor, e todo o processo é termostatizado.
O contato com o ar deve ser evitado, do contrário ocorreria a oxidação do vinho. Isto é feito pelo lacramento dos recipientes onde a fermentação é realizada e, algumas vezes, pela introduçao de CO2. Apos a fermentação, adiciona-se pequenas quantidades de SO2 ou ácido ascórbico, como anti-oxidantes. Apos a fermentaçao, o vinho é decantado e o líquido sobrenadante é então separado. O vinho esta pronto, entao, para o segundo processo de fermentação. Esta etapa é bastante executada na europa, sobretudo na França. No Brasil, entretanto, os vinicultores nao dão, ainda, muito valor para esta fermentação. O ácido malônico é transformado em ácido lático. O processo provoca a liberação de gás carbônico Há muito tempo se sabe que, mesmo finda a fermentação alcóolica, observa-se a evolução de dióxido de carbono do vinho. Há poucos anos, quimicos descobriram que esta segunda fermentação se devia a ação de enzimas sobre o ácido malônico, presente no vinho, e a sua transformação em ácido lático. Neste processo, vários agentes de sabor, muitos ainda nao estudados, são formados.
Este processo produz um sabor diferenciado ao vinho; por isso, também, os vinhos franceses são tão diferentes dos demais. Esta etapa é extremamente caprichosa: se a fermentação for excessiva, os vinhos ficarão aguados, baixos em acidez, e ricos em diacetilas, que podem até mesmo ser tóxicas, quando em excesso. Um grande controle é feito, através de leituras da composição por cromatografia. Quando o ácido malônico atinge um certo patamar; adiciona-se SO2 para inibir esta fermentação. Uma prática muito antiga, hoje é feita com requintes científicos. Envolve processos como filtraçao, centrifugaçao, refrigeraçao, troca iônica e aquecimento. Nesta etapa, o vinho é clarificado, grande parte dos produtos precipitáveis é extraida, e muitos íons metálicos, que tornam o vinho turvo, são retirados. O vinho que tomamos é, geralmente, transparente à luz. Mas nao é desta forma que ele sai dos barris de fermentação. Muitas proteínas e complexos metálicos o deixam turvo, opaco. Entre as formas atuais de clarificação, encontram-se o uso de colunas de sílica, PVP ou caseína.
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