تستخدم العمليات الحيوية الخلايا الحية أو الإنزيمات لإنتاج منتج مرغوب فيه، وهي بمثابة المحرك الأساسي للتصنيع الحيوي. قد تكون الخلايا بكتيريا تنتج الأنسولين، أو خميرة تنتج الإيثانول، أو خلايا ثديية تنتج الأجسام المضادة. أما الإنزيمات فقد تكون أميليزات لإنتاج المنظفات، أو سليولازات لإنتاج الوقود الحيوي. وقد يكون المنتج دواءً، أو مكونًا غذائيًا، أو مادة كيميائية، أو وقودًا.

تتكون العمليات الحيوية من عدة عناصر. يقوم المحفز الحيوي، سواء كان خلايا أو إنزيمات، بالعمل. توفر المواد الأولية المواد الخام. يوفر المفاعل الحيوي البيئة المُتحكم بها. تُنقى المنتجات في المراحل اللاحقة. يجب تحسين كل عنصر من حيث الإنتاجية والتكلفة والجودة. قد تُحدث تغييرات طفيفة في درجة الحرارة أو الرقم الهيدروجيني أو تركيز المغذيات تأثيرات كبيرة.

غالباً ما تكون العمليات الحيوية أكثر استدامة من العمليات الكيميائية. فهي تعمل في درجات حرارة وضغوط أقل، وتستخدم مواد أولية متجددة، وتنتج نفايات خطرة أقل. لكنها ليست صديقة للبيئة بالضرورة، إذ تستهلك الماء والطاقة، وتنتج كتلة حيوية نفايات. لذا، يلزم إجراء تحليل دورة الحياة للتأكد من فوائدها.

يشهد هذا المجال نموًا متزايدًا مع سعي الصناعات إلى إيجاد بدائل بيولوجية للتخليق الكيميائي. ويكمن التحدي في الحجم والتكلفة. فالعملية التي تنجح في المختبر يجب أن تنجح في خزان بسعة 100 ألف لتر، بكفاءة وموثوقية واقتصادية. وهنا تبرز أهمية هندسة العمليات الحيوية.