Bioproduksjon begynner med oppstrøms prosessering. Det er stadiet der cellene dyrkes og produktet dannes. Cellene kan være bakterier, gjær, insektceller eller pattedyrceller. De dyrkes i bioreaktorer under kontrollerte forhold. Målet er å maksimere celletettheten og produktutbyttet. Alt nedstrøms avhenger av hva som skjer her.

Oppstrøms prosessering har flere trinn. Cellelinjeutvikling skaper en stabil, høyproduserende cellelinje. Frøkultur utvider cellene fra et lite ampulle til et volum som er stort nok for produksjonsbioreaktoren. Medieoptimalisering gir næringsstoffene cellene trenger. Prosessparametere, som temperatur, pH, oppløst oksygen og fôringsstrategi, kontrolleres for å maksimere produktiviteten. Produksjonsbioreaktoren kan variere fra noen få liter til tusenvis av liter.

Valg av ekspresjonssystem er viktig. Bakterier er raske og billige, men kan ikke utføre komplekse posttranslasjonelle modifikasjoner. Gjær kan modifisere proteiner, men ikke på samme måte som menneskeceller. Pattedyrceller produserer korrekt foldede og modifiserte proteiner, men er trege og dyre. Insektceller brukes til noen vaksiner og proteiner. Valget avhenger av produktet.

Oppstrøms prosessering er der biologien møter ingeniørfaget. Små endringer i forholdene kan ha store effekter på avling og kvalitet. Det er en kompleks, dynamisk prosess som krever nøye overvåking og kontroll.