Rotwein entsteht durch Vergärung des Traubenmostes auf der Maische während ungefähr 2 bis 30 Tagen, wodurch sich die in den Schalen enthaltenen Farbstoffe (Anthocyane) im Alkohol lösen. Einige wenige Rebsorten enthalten die erforderlichen Farbstoffe bereits von Anfang an in ihrem Saft (z. B. Dornfelder oder Dunkelfelder); sie werden daher auch gerne zur Cuvée genommen, um anderen roten Sorten einen tieferen Rotton zu verleihen.
Die wichtigsten Produktionsschritte sind das Maischen, die Gärung und das Keltern (das Pressen). Das Fruchtfleisch der meisten Trauben ist fast farblos; die Farbstoffe sitzen nur in den Traubenhüllen, je nach Sorte gelblich, rot oder dunkelblau. Im Unterschied zur Weißweinherstellung werden daher beim Rotwein nach dem Quetschen und Rebeln die Schalen nicht vom Most getrennt, sondern dieser lagert je nach Temperatur (üblicherweise zwischen 20 und 30 °C) 4–21 Tage auf der Maische. Bei kürzerer Verweilzeit auf der Maische entsteht ein zarter gefärbter Roséwein.
Die wichtigsten Vinifikationsverfahren sind Pigeage, Remontage Maceration carbonique sowie Roto-Fermentation. Nach einem anderen, im deutschen Weinbaugebiet Württemberg angewendeten Verfahren gewinnt man den Farbstoff durch Erhitzen der Maische auf 50-90 Grad. Celsius und anschliessendem Abkühlen. Der Most wird daraufhin gekeltert und vergoren. Da der Wein auf diese Weise einen deutlichen Erhitzungston annimmt, der an gekochte Früchte und Marmelade erinnert, lassen sich auf diese Weise keine Spitzenweine herstellen.
Neben den Farbstoffen befinden sich auch Tannine und Aromastoffe in den Beerenschalen; dadurch enthalten Rotweine insgesamt mehr Inhaltsstoffe als Weißweine. Für ein harmonisches Bouquet ist die Reifezeit von Rotwein daher länger als die von Weißwein; sehr junge, besonders gerbstoffreiche Rotweine wirken oft noch rau und verschlossen.
Tannin ist der Stoff, der Rotweine bitter machen kann und im Mund ein pelziges, zusammenziehendes Gefühl hinterlässt. Die richtige Menge kann für die Textur und den Geschmack des Weins jedoch Wunder tun. Tannin und Säure haben darüber hinaus die positive Eigenschaft, konservierend zu wirken, wodurch sich Weine mit einem hohen Anteil an einem oder beiden Stoffen in der Flasche viele Jahre lang halten.
Um einen kräftig gefärbten Rotwein zu erhalten, ist der Winzer bestrebt, möglichst viel roten Farbstoff und die richtige Menge an Gerbstoffen aus den Schalen in den Wein zu bringen. Für eine optimale Extraktion müssen die Schalenteile und der Most ständig in Kontakt bleiben; die aufschwimmende Maischeschicht wird deshalb immer wieder mechanisch eingetaucht. Zuweilen wird die Maische erwärmt, um diesen Prozess zu beschleunigen. Durch stark färbende Trauben (Dornfelder, Dunkelfelder), die dem Most zugesetzt werden, kann ein intensiverer Farbton erzielt werden.
Die vergorene Maische wird ca. drei bis vier Wochen nach der Gärung gekeltert. Dies erfolgt traditionell in Eichenfässern. Der Inhalt wird dabei mehrfach umgefüllt und so belüftet. Beim Barrique-Verfahren wird eine besonders lange Extraktion der Holzinhaltsstoffe aus Eichenfässern bewirkt; sie besitzen ein Volumen von 225 Litern. Da Holzfässer etwa 70–80 % ihrer Geschmacksstoffe bereits bei der ersten Benutzung abgeben, sollte ein Barriquefass zur Geschmacksaufwertung nur ca. dreimal eingesetzt werden. Die meisten Weine gären jedoch in Stahl- oder Kunststofftanks.
Nach der ersten (alkoholischen) Gärung erfolgt bei hochwertigen Weinen eine zweite (malolaktische) Gärung, meist bei erhöhter Temperatur. Dies wird auch als „biologischer Säureabbau“ (BSA) bezeichnet, denn die scharfe Äpfelsäure (Apfel = lateinisch malum) wird bakteriell in die milde Milchsäure (Milch = lateinisch lactus) umgewandelt.