Mục đích lên men chính: chuyển hóa các chất hòa tan trong dịch đường thành C2H5OH, CO2 và các sản phẩm phụ khác (sản phẩm của quá trình sinh tổng hợp do hoạt động sống của tế bào nấm men).
Quá trình lên men chính được tiến hành trong điều kiện nhiệt độ 6-80C. (Phương pháp lên men gia tốc hiện nay được tiến hành ở nhiệt độ 10-120C).
Các biến đổi của nguyên liệu:
- Sinh học: nấm men giống sẽ trao đổi chất và sinh trưởng trong dịch nha.
- Hóa sinh và hóa học: đường lên men và chuyển hóa theo chu trình đường phân để tạo thành acid pyruvic rồi tiếp tục được chuyển hóa thành ethanol và khí CO2. Có rất nhiều sản phẩm trong quá trình lên men bia như các aldehyde, rượu cao phân tử, acid hữu cơ, ester…
- Hóa lý: một số prtoten bị đông tụ do pH thay đổi và nhiệt độ thấp, một phần khí carbon dioxide do nấm men sinh ra hòa tan vào dịch lên men.
Thiết bị dùng để lên men chính rất đa dạng. Trước đây người ta dùng thùng gỗ sồi, thùng nhôm, xây bể xi măng cốt thép ở điều kiện hở. Ngày nay người ta sử dụng các thiết bị kín được gia công bằng thép không rỉ với thân hình trụ, đáy hình nón, có tạo góc với thành thiết bị và đường sinh của hình nón một góc 700. Thể tích sử dụng của thiết bị này không quá 85%. Đối với nấm men chìm, nhiệt độ lên men chính thay đổi trong khoảng 6-150C tùy theo chủng nấm men. Quá trình lên men chính diễn ra ở áp suất thường. Khi hàm lượng đường lên men còn xấp xỉ 1% thì kết thúc lên men chính. Người ta làm lạnh bia non về 0-20C rồi tách nấm men từ phía đáy côn của thiết bị lên men.
Quá trình lên men chính, lượng CO2 được sinh ra nhiều vì vậy cần tiến hành thu hồi CO2. Nguồn CO2 này được bổ sung cho bia giai đoạn bão hòa CO2 cho bia.