Als Vorbehandlung werden die Substrate gegebenenfalls zerkleinert. Die Einbringung in den Fermenter erfolgt bei Feststoffen über einen Feststoffeintrag mit Vorlagebehälter, der das Substrat dosiert in den Fermenter fördert. Der Fermenter besteht aus einem luftdichten, beschichteten Stahl- oder Betontank. Dieser ist mit einer Isolierung versehen, da im Inneren für die Mikroorganismen eine konstante Temperatur aufrechterhalten werden muss. Entweder ist der Fermenter auf mesophile Temperaturen (etwa 35° C) oder thermophile Temperaturen (etwa 55° C) ausgelegt. Innerhalb des Fermenters befindet sich ein Zentralrührwerk oder ein bis mehrere andere Rührwerke, die die erforderliche völlige Durchmischung des Fermenterinhalts gewährleisten. Hierbei ist darauf zu achten, dass sich weder eine Schwimmschicht auf der Substratoberfläche bildet noch Sedimentation am Behälterboden entsteht. Zusätzlich müssen die Mikroorganismen mit allen notwendigen Nährstoffen versorgt werden und die Wärme homogen verteilt werden. Dem Fermenter sind in der Regel Nachgärer und Gärrestlager nachgeschaltet. Die gemittelte Mindestverweildauer im Fermenter liegt für Gülle bei 20 Tagen. Energiepflanzen und Erntereste benötigen Verweilzeiten von mindestens 40 Tagen. Während dieser Zeit werden die organischen Substanzen von den Mikroorganismen umgewandelt. Hierbei entstehen zwei verschiedene Endprodukte: Biogas und ausgefaulter Gärrest.

Der Gärrest, der vor Ort zwischengelagert wird, wird aufgrund des hohen Ammoniumgehalts (NH4) meist als Dünger verwendet.

Das Biogas wird in Gasspeichern, die sich z.B. auf dem Nachgärer und auf dem Gärrestspeicher befinden, zwischengespeichert. In der Regel werden mit dem Biogas Blockheizkraftwerke versorgt, die neben Elektrizität auch Wärme in Kraft-Wärme-Kopplung erzeugen. Für den Fall, dass der Motor bzw. die Motoren nicht betrieben werden und trotzdem Biogas entsteht, sind die Anlagen mit einer Notfackel ausgestattet, über die überschüssiges Biogas verbrannt werden kann. Oft wird neben dem BHKW am Anlagenstandort, das die Wärmeversorgung für die Anlage sichert, weitere Satelliten-BHKW betrieben, die über eine Biogasleitung beliefert werden. Satelliten-BHKW werden an Standorten betrieben, an denen auch die in KWK erzeugte Wärme genutzt werden kann. Der erzeugte Strom kann der Eigenversorgung dienen oder wird ins Stromnetz eingespeist und verkauft. Die erzeugte Wärme kann für das Heizen der Stallungen und / oder des Hauses, einer Getreidetrocknung und andere Zwecke verwendet werden. Circa 10 bis maximal 30 % in Extremfällen, je nach Gülleanteil, der erzeugten Energie werden für den Betrieb der Biogasanlage benötigt. Natürlich gibt es auch andere Möglichkeiten Biogas zu nutzen. Beispielsweise kann die gesamte Biogasmenge zur Wärmeproduktion, in Form von Dampf oder heißem Wasser, genutzt werden. Gegebenenfalls kann der Dampf auch zu Kühlzwecken verwendet werden. In Biogas-Aufbereitungsanlagen kann Biogas auf Erdgasqualität aufbereitet werden und als Biomethan ins Gasnetz eingespeist werden oder als Treibstoff für Fahrzeuge verwendet werden.