产甲烷作用，又称甲烷生成，指合成甲烷是微生物代谢的重要的和广泛的形式。可以生成甲烷的微生物称作产甲烷菌（英语：Methanogen）。这些微生物都属于原核生物中的古菌域，这是在系统发生学上与真核生物和细菌都不同的一组独特的微生物，尽管它们是和厌氧细菌有靠近的关联。在很多环境中，这是生物质降解的最终步骤。
产甲烷作用是微生物的一种厌氧呼吸形式。产甲烷菌不能呼吸氧气，而且氧气对产甲烷菌具有致命的毒性。电子传递最终受体不是氧气，而是含碳小分子化合物，最常见的是二氧化碳或者乙酸：
CO2 + 4 H2 => CH4 + 2H2O
CH3COOH => CH4 + CO2
产甲烷作用也可以利用其它含碳小分子有机物，如甲酸、甲醇、二甲硫醚和甲硫醇等。
产甲烷菌不能在有氧气处生存，因此它们只能在完全缺乏氧气的环境中被发现。常见的这样的环境在有机物被迅速降解的地方，比如湿地土壤、动物消化道和水底沉积物等。产甲烷作用也可发生在氧气和腐烂有机物都不存在的地方，如地面下深处、深海热水口和油库等。
产甲烷作用是有机物降解过程的最后一步，在降解途径中，电子受体，如氧气、三价铁、硫酸根、硝酸根和四价锰都被耗尽，而氢气和二氧化碳积累起来。由发酵产生的较轻的有机物也形成积累。而在程度较高的有机物降解过程中，所有电子受体，除二氧化碳之外全都被耗尽。而二氧化碳是大多数分解代谢过程的产物。
只有产甲烷和发酵作用能够在只有含碳化合物作为电子受体的情况下发生。发酵作用只造成大分子量有机物的分解，产生小分子量有机物。而甲烷产生可以去除这些中间产物，如氢气、小分子有机物和二氧化碳。如果没有产甲烷作用，大量碳元素将会以发酵产物的形式在缺氧环境中积累。
在反刍动物的瘤胃中，厌氧生物（包括产甲烷菌）将纤维素消化成可以被动物吸收的物质。如果缺乏了瘤胃中的微生物，必须给牲畜喂特殊的食物才能够存活。平均每一头母牛每天排放约250升甲烷。
产甲烷作用对人类也有用处。通过产甲烷作用，有机废物可以转化成有用的甲烷（“沼气”）。产甲烷作用同样在人和动物的肠道中发生。尽管产甲烷作用也许对人类消化不是必需的，但对于反刍动物如牛和羊的营养却是必要的。
