Elle se déroule en l'absence d'oxygène et est aussi appelée digestion ou fermentation anaérobie.

La matière biodégradable est transformée en biogaz composé majoritairement de méthane (environ 60 %) et de gaz carbonique. Le digestat obtenu en fin de processus est un produit biologiquement stable, désodorisé, et éventuellement hygiénisé, utilisable comme amendement organique après maturation par compostage.

La méthanisation des déchets municipaux est très peu développée en France actuellement (4 installations : Montpellier, Amiens, Varennes-Jarcy et Le Robert). Une dizaine d'installations sont en projet pour traiter des biodéchets collectés sélectivement. Le parc européen est d'une centaine d'unités.