大曲的微生物主要有四类：即霉菌、细菌、酵母菌、放线菌。放线菌为数不多，在大曲中的作用尚不十分明显。
1、霉菌
大曲中的霉菌主要有曲霉属、根霉属、毛霉属、青霉属等，其中曲霉属、根霉属、毛霉属为有益菌，曲霉是主要的糖化菌，是大曲和其他曲中最多的菌；根霉是主要的糖化菌，具有较高的糖化力；毛霉因其形状似头发状而得名，生产上常常叫做长“水毛”的大多数就是毛霉，属于感染菌，也可以说是有害菌。青霉在大曲或酿酒生产上完全属于有害菌，对大曲中其他有益微生物有极大抑制力，且能使酒呈苦味。
霉菌的作用：
霉菌生长代谢能产生多种酶。大曲酒酿造主要利用其代谢产生的液化型、糖化型淀粉酶，作为生产发酵中的糖化剂。
能代谢产生淀粉酶的霉菌有：根霉、曲霉、毛霉等。其中尤以根霉曲霉产生的淀粉酶活力最强，以此为主体的大曲糖化、液化力也较强。大曲生长的霉菌种类和数量受培曲温度的影响。培养温度高，液化能力高，糖化力低；培养温度低，液化力低，糖化力高。
霉菌，特别是毛霉，还能产生一种活性较强的蛋白质分解酶。此酶能催化原料中的蛋白质分子水解为朊、胨、多肽，最后分解形成氨基酸。
2、细菌
有一种说法：糖化动力——霉菌，发酵动力——酵母菌，生香动力——细菌。可见细菌在酿酒中的作用。细菌主要有浓香型白酒中的己酸菌、甲烷菌及丁酸菌；酱香型白酒中的耐高温芽孢杆菌，产乳酸、醋酸、丙酸等有机酸的细菌等。大曲中的细菌主要是球菌和杆菌两种类型，最多的是乳酸菌。
细菌的作用：
乳酸菌，具有乳酸脱氢酶和乳酸消旋酶，能进行同型和异型乳酸发酵，一般以同型乳酸发酵为主，将葡萄糖经由HDP途径代谢，产生乳酸。
醋酸菌形成的酶具有较强的氧化能力，能利用葡萄糖生产葡萄糖酸，也能氧化乙醇生成乙酸，是发酵酒醅中乙酸的主要产生菌。
芽孢杆菌具有水解淀粉和蛋白质的能力，有的芽胞杆菌能代谢产生酒中的芳香成分双乙酰等。产气芽孢杆菌都有较强的V·P反应（乙酰甲基甲醇反应），与酒中2,3-丁二醇、双乙酰等香味物质的生成有关。
3、酵母菌
酵母是一种单细胞真菌，在有氧和无氧环境下都能生存，属于兼性厌氧菌。在缺乏氧气时，发酵型的酵母通过将糖类转化成为二氧化碳和乙醇(俗称酒精)，这就是为什么白酒酿造需要密封发酵的主要原因。大曲中的酵母菌有酒精酵母、产酯酵母假丝酵母属等。
酵母菌的作用：
酵母菌在发酵酿酒过程中，具有两个十分突出的作用，即酒化和酯化作用。大曲中的酒精酵母能产生活力较强的酒化酶，能将葡萄糖通过EMP途径代谢转化成酒的主要成分——乙醇，这是曲酒最重要也是最基础的物质。
产酯酵母具有较强的酯合成能力，能代谢产生大量的酯类物质，如己酸乙酯等，能赋予大曲酒浓郁的芬芳。
酵母菌代谢还能产生许多物质，如甘油和其它多元醇等，对酒体的完美与丰满有着重要的作用。