Quá trình phân hủy sinh học có thể được chia thành ba giai đoạn: phản xạ sinh học, phản ứng sinh học và đồng hóa.[3] Phản ứng sinh học là sự xuống cấp ở bề mặt làm thay đổi các tính chất cơ học, vật lý và hóa học của vật liệu. Giai đoạn này xảy ra khi vật liệu tiếp xúc với các yếu tố phi sinh học trong môi trường ngoài trời và cho phép xuống cấp hơn nữa bằng cách làm suy yếu cấu trúc của vật liệu. Một số yếu tố phi sinh học ảnh hưởng đến những thay đổi ban đầu này là nén (cơ học), ánh sáng, nhiệt độ và hóa chất trong môi trường.[3]   Mặc dù phản xạ sinh học thường xảy ra như là giai đoạn đầu tiên của quá trình phân hủy sinh học, nhưng trong một số trường hợp, nó có thể song song với phản ứng sinh học.[4]

Phản ứng phân rã của polyme là quá trình phân ly trong đó các liên kết trong polyme bị phân cắt, tạo ra oligome và monome.[3] Các bước thực hiện để phân đoạn các vật liệu này cũng khác nhau dựa trên sự hiện diện của oxy trong hệ thống. Sự phân hủy vật liệu của vi sinh vật khi có oxy là tiêu hóa hiếu khí, và sự phân hủy vật liệu khi không có oxy là tiêu hóa kỵ khí.[5] Sự khác biệt chính giữa các quá trình này là các phản ứng yếm khí tạo ra khí mê-tan, trong khi các phản ứng hiếu khí thì không (tuy nhiên, cả hai phản ứng đều tạo ra carbon dioxide, nước, một số loại dư lượng và sinh khối mới).[6] Ngoài ra, tiêu hóa hiếu khí thường xảy ra nhanh hơn tiêu hóa kỵ khí, trong khi tiêu hóa kỵ khí làm tốt hơn việc giảm khối lượng và khối lượng của vật liệu.[5] Do khả năng phân hủy kỵ khí để giảm khối lượng và khối lượng chất thải và tạo ra khí tự nhiên, công nghệ phân hủy kỵ khí được sử dụng rộng rãi cho các hệ thống quản lý chất thải và là nguồn năng lượng tái tạo tại địa phương.[7]

Các sản phẩm thu được từ phản ứng sinh học sau đó được tích hợp vào các tế bào vi sinh vật, đây là giai đoạn đồng hóa.[3] Một số sản phẩm từ sự phân mảnh được vận chuyển dễ dàng trong tế bào bởi các chất mang màng. Tuy nhiên, những người khác vẫn phải trải qua các phản ứng biến đổi sinh học để tạo ra các sản phẩm mà sau đó có thể được vận chuyển bên trong tế bào. Khi ở trong tế bào, các sản phẩm đi vào con đường dị hóa dẫn đến việc sản xuất adenosine triphosphate (ATP) hoặc các yếu tố của cấu trúc tế bào.[3]