大曲的微生物主要有四類：即霉菌、細菌、酵母菌、放線菌。放線菌為數不多，在大曲中的作用尚不十分明顯。
1、霉菌
（1）曲霉屬
曲霉是主要的糖化菌，是大曲和其他曲中最多的菌，其時常呈現的顏色有黑、褐、黃、綠、白五色。
曲霉作用于大曲后可形成糖化力、液化力、蛋白質分解力和形成多種有機酸。曲霉中的黑曲霉具有多種活力較強的酶系，糖化力較高，并可產生少量的酒精。曲霉的生長和發酵溫度都在35～40℃之間，其習性同根霉。
（2）根霉屬
根霉是主要的糖化菌，具有較高的糖化力，且不產轉移葡萄糖苷酶，并能產生多種有機酸。根霉分為黑根霉、米根霉、中華根霉、無根根霉幾種。大曲中的根霉以米根霉為主，米根霉除具有較強的糖化力外，還兼有一定的發酵力。米根霉的最適生長溫度為37～41℃，但它的最適發酵（作用）溫度在30～35℃之間。因此，如制曲培菌品溫不超過38℃即可達到米根霉大量生長繁殖的目的。所以，目前國內各香型大曲的前期培養品溫，一般不超過40℃。
（3）毛霉屬
毛霉因其形狀似頭發狀而得名，與根霉極相似，所需的生長發酵溫度也差不多。毛霉主要著生于大曲培養的“低溫培菌期”，特別是溫高濕大，兩曲相靠時，更易生長，生產上常常叫做長“水毛”的大多數就是毛霉。在大曲的微生物區分中，屬于感染菌，也可以說是有害菌。但毛霉的代謝產物和自身積累的酶系又具有蛋白質分解力，因此少量的毛霉對大曲的“綜合能力”可能有一定的作用。
（4）霉菌的作用
霉菌生長代謝能產生多種酶。大曲酒釀造主要利用其代謝產生的液化型、糖化型淀粉酶，作為生產發酵中的糖化劑。
能代謝產生淀粉酶的霉菌有：根霉、曲霉、毛霉等。其中尤以根霉曲霉產生的淀粉酶活力最強，以此為主體的大曲糖化、液化力也較強。大曲生長的霉菌種類和數量受培曲溫度的影響。培養溫度高，液化能力高，糖化力低；培養溫度低，液化力低，糖化力高。
霉菌，特別是毛霉，還能產生一種活性較強的蛋白質分解酶。此酶能催化原料中的蛋白質分子水解為朊、胨、多肽，最后分解形成氨基酸。
2、細菌
有一種說法：糖化動力——霉菌，發酵動力——酵母菌，生香動力——細菌。可見細菌在釀酒中的作用。細菌主要有濃香型白酒中的己酸菌、甲烷菌及丁酸菌；醬香型白酒中的耐高溫芽孢桿菌，產乳酸、醋酸、丙酸等有機酸的細菌等。大曲中的細菌主要是球菌和桿菌兩種類型，最多的是乳酸菌。
（1）乳酸菌屬
大曲中的乳酸菌有三個顯著特點：一是既有純型（同型的），又有異型的；二是球菌居多，占70%；三是所需溫度偏低，在28～32℃之間，并具有厭氣和好氣雙重性。大曲中乳酸菌含量不可過多，主要生成區域是在高溫轉化時由乳酸菌作用于已糖同化生成乳酸，其量的大小往往取決于大曲中乳酸菌的數量和大曲生產發酵對品溫的控制。特別是頂點品溫不足，熱曲時間短時，更會使乳酸大量生成。
乳酸含量的多少是反映曲質的一個方面，由于乳酸所呈現的味是餿、酸、澀等，特別是乳酸在量大時又呈青草味，因此在釀酒上帶來的危害就大。一般來說，大曲酒中乳酸及其酯都偏多，所以“增己降乳”應先考慮大曲的“降乳”。
（2）醋酸菌屬
醋酸菌的形態各異，但在大曲中以桿菌居多，且是典型的好氣性菌。它的作用主要是氧化葡萄糖生成醋酸和少量酒精。它的發酵溫度是30℃，偏酸環境。醋酸的功過取決于其含量的大小，在一定量時，它是與醇合成酯的必要成分；當其量大時，不但會使酒味變異，更主要的是它會抑制酵母菌的生長。
醋酸菌主要是在大曲發酵前、中期生長繁殖，尤其是在新曲中含量最多。醋酸菌有一個致命的弱點是干燥低溫的環境下芽孢會失去發芽能力。所以，在制備大曲時，要求新曲必須貯存3個月或半年以上，可以使醋酸菌以最少的數量進入釀酒階段。
（3）枯草芽孢桿菌
枯草芽孢桿菌是大曲中數量最多的細菌之一，它有厭氣和好氣兩種類型，一般最適生長溫度為37℃，適應于微酸、濕度大的環境。初期，大曲中芽孢桿菌不多，但其繁殖速度較快，特別是在大曲的高溫、高水份、曲塊軟的區域繁殖較快，此時枯草芽孢桿菌得以大量生長。
（4）細菌的作用
乳酸菌，具有乳酸脫氫酶和乳酸消旋酶，能進行同型和異型乳酸發酵，一般以同型乳酸發酵為主，將葡萄糖經由HDP途徑代謝，產生乳酸。
醋酸菌形成的酶具有較強的氧化能力，能利用葡萄糖生產葡萄糖酸，也能氧化乙醇生成乙酸，是發酵酒醅中乙酸的主要產生菌。
芽孢桿菌具有水解淀粉和蛋白質的能力，有的芽胞桿菌能代謝產生酒中的芳香成分雙乙酰等。產氣芽孢桿菌都有較強的V·P反應（乙酰甲基甲醇反應），與酒中2,3-丁二醇、雙乙酰等香味物質的生成有關。
3、酵母菌
（1）酒精酵母
酒精酵母是大曲的主要酵母，其主要特點是生長作用溫度低，酒精生成能力強，喜偏酸環境生長，最佳生長溫度為28～32℃，pH值在4.5～6.2之間。酵母菌一般在曲坯入房2天（48h）便大量生長繁殖了，其后隨著品溫的上升而死亡或休眠。酒精酵母與其他酵母相比其數量不算多，但在釀酒上是必不可少的，而且對大曲、大曲酒的產品質量起著決定性的作用。
（2）產酯酵母
產酯酵母能以糖、醛、有機酸、鹽類等作為養料，在酯化酶作用下將乙酸與乙醇結合成乙酸乙酯或其他酸酯，所以又把它稱為生香酵母。正因為其主要作用是酸醇結合而產生酯，所以該酵母的發酵力不強。其生活習性和所需的生長環境和酒精酵母類似。
（3）假絲酵母屬
假絲酵母屬包括有產假絲酵母、解酯假絲酵母、熱帶假絲酵母等。
假絲酵母有很多種都具有酒精發酵能力，它與擬內孢霉共同存在于大曲的表面層，通常呈現為黃色的小斑點。由于其所需溫度較低，故主要在“低溫培菌期”存活繁殖，當大曲進入高溫轉化期時，就隨其他酵母轉入休眠或死亡。
（4）酵母菌的作用
酵母菌在發酵釀酒過程中，具有兩個十分突出的作用，即酒化和酯化作用。大曲中的酒精酵母能產生活力較強的酒化酶，能將葡萄糖通過EMP途徑代謝轉化成酒的主要成分——乙醇，這是曲酒最重要也是最基礎的物質。
產酯酵母具有較強的酯合成能力，能代謝產生大量的酯類物質，如己酸乙酯等，能賦予大曲酒濃郁的芬芳。
酵母菌代謝還能產生許多物質，如甘油和其它多元醇等，對酒體的完美與豐滿有著重要的作用。
