飞天茅台酒的酿造是在完全开放式环境中进行，并且，其酿造工艺复杂，主要特点为：四高两长，一大一多，即采用高温制曲、高温堆积、高温发酵、高温馏酒、生产周期长、贮存时间长、大用曲量和多轮次发酵。
因此，茅台酒酿造过程中的微生物来源广、种类多、数量大，
主要微生物有四大类：细菌、酵母菌、霉菌和放线菌。
一、飞天茅台酒酿造过程中的细菌
在飞天茅台酒制曲、堆积、酒醅发酵等工艺过程中，都广泛存在细菌。
茅台成品大曲里，90%的微生物是细菌，而且，细菌数量达到107个/g曲。由于制曲温度高达 60℃，因此大曲中细菌大部分是嗜热性细菌。
随后的堆积发酵环境中，由于温度比制曲阶段低，不利于嗜热性细菌的生长繁殖，所以，细菌的数量不断下降。
细菌主要以芽孢杆菌属、乳酸菌属、醋酸菌属、梭菌属等为主，功能主要是产生丰富的呈香前体物质。有研究证明，在飞天茅台酒酿造过程中，芽孢杆菌主要功能是产香，它可分泌丰富的酶系，如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等，作用于酿酒原料进而产生丰富的氨基酸、糖类等物质，再通过后续地反应生成具特殊风味的芳香类化合物。
另外，芽孢杆菌促进制曲过程中多种游离氨基酸之间发生美拉德反应，形成酱香风味。
二、飞天茅台酒酿造过程中的酵母菌
酵母菌在过高温度下，很难生存，所以，在茅台大曲制曲过程中，很难富集周边环境内的酵母菌。
在随后的堆积发酵过程中，酵母菌通过空气及生产器具作为媒介进入酒醅中，不断繁殖富集。
有研究结果表明，茅台大曲中只检测出极其少量的酵母菌，而在堆积发酵阶段，酵母数量高达106～107cfu/g。
酵母菌主要有：球拟酵母、假丝酵母、汉逊酵母等。按功能的不同，这些酵母菌可分为酿酒酵母和生香酵母，前者有较强的产酒精能力，后者则是可以酯化酸类、醇类等物质，产生以乙酸乙酯为主要酯类的风味物质，提升酱香白酒品质。
三、飞天茅台酒酿造过程中的霉菌
霉菌的主要来源为空气、场地、原辅料、母曲及人体，它们的数量可达 106cfu/g曲。
在茅台大曲制曲过程中，由于水分含量少、高温、缺氧，不利于霉菌的生长富集，所以霉菌数量较少。
随后茅台大曲的储存及堆积发酵的过程中，霉菌大量富集，主要有：毛霉、曲霉、青霉等。
在茅台酒酿造过程中，霉菌分泌糖化酶、蛋白酶等多种酶类，发挥糖化作用，同时，促进多种风味物质的形成，为酱香风味的形成提供物质基础。
另外，霉菌还可以利用酿酒原料中不易被分解的纤维素，提高原料的使用率。
四、飞天茅台酒酿造过程中的放线菌
在茅台酒酿造过程中，虽然放线菌数量不多，但是放线菌代谢可产生抗生素，是一种可抑制其他微生物生长、代谢的产物，从而起到调节多菌种的混合发酵途径和代谢产物的积累。
飞天茅台酒的酿造过程是一个多菌种的混合发酵过程，主要就有上面四类微生物参与。
