Durante la maduración, las uvas sufren cambios biológicos muy importantes que dan lugar a modificaciones físicas y químicas de su composición. El periodo de maduración, a partir del envero, puede considerarse a su vez comprendido por cuatro etapas, una primera que se caracteriza principalmente por la acumulación de agua y azúcar, una segunda etapa en la que cesa el trasporte por el floema y que conduce a una tercera fase en la que la uva se deshidrata, durante estas dos últimas etapas cesa la síntesis de aromas y sabores, y las uvas entran en una cuarta etapa de pasificación. Durante estos dos últimos periodos de deshidratación y pasificación se producen deterioros de las sustancias aromáticas.

La maduración se prolonga de 4 a 10 semanas, los cambios en las uvas son grandes, comienzan a partir del periodo de envero que se prolonga, por lo general, de 7 a 10 días, periodo durante el que las uvas modifican su carácter fotosintético, perdiendo el color verde debido a la degradación de la clorofila. El envero se caracteriza por un ablandamiento de las uvas y un fuerte incremento del contenido en azúcares, seguido de un rápido cambio del color de la piel, desde el verde al rojo, púrpura o azul en las variedades tintas, y más o menos amarillo en las variedades blancas. El ablandamiento de las uvas lleva consigo la pérdida de firmeza, y el aumento de su deformabilidad, debido fundamentalmente a que se desmonta y se modifica la pared celular de las células de la pulpa, lo que puede facilitar que esté parcialmente descompartimentada. La extensibilidad de la piel aumenta en el envero facilitando la expansión de la baya, y más tarde dicha expansión será restringida.

Vascularmente se producen cambios importantes durante la maduración , el xilema que conducía fundamentalmente agua cesa gradualmente y, en la práctica, deja de ser funcional al poco tiempo de la maduración, y es el floema el que asume la conducción fundamental hacia la uva del agua, azúcar, potasio y de otros metabolitos procedentes fundamentalmente de las hojas. Ello significa que, al avanzar la maduración, no hay durante la misma acceso de agua directamente de las raíces por vía xilema, sino que su procedencia pasa por las hojas y entra por el floema a la uva, el cual también, como hemos dicho, en fases avanzadas tiende a cesar su trasporte facilitando la deshidratación y la pasificación. En algunos casos, en periodos avanzados, la falta de trasporte por el floema puede manifestarse en cese de acumulación de azúcares, y si no hay pérdidas de agua en las bayas no se observan aumentos de la concentración de azúcares en el mosto.

En cuanto a la composición de la uva, los cambios son muy diferentes según los componentes. Hay compuestos como los azúcares o el potasio que durante la maduración se trasportan a la uva y se acumulan especialmente en la pulpa, otros como los antocianos, responsables del color, se sintetizan y se acumulan en la piel. La cantidad en la uva de algunos componentes como el ácido tartárico, permanece poco variable pero su concentración disminuye por dilución. Sin embargo, la disminución de compuestos como el acido málico se debe parcialmente a que se degradan y a su trasformación en energía, otros compuestos también se trasforman o se combinan como los taninos sintetizados durante la fase herbácea de la baya, de manera que durante la maduración disminuye la concentración de los taninos inmaduros no polimerizados. Por otra parte, hay síntesis y acumulación de aromas, pero hay también pérdidas de aromas por oxidación, u otros aromas como las metoxipiracinas característicos de variedades como Mertlot, Cabernet-Sauvignon o Sauvingnon Blanc, que diminuyen y se degradan durante la maduración. Es decir, hay sustancias que se sintetizan, otras se acumulan, otras se degradan, otras se trasforman, y otras tan solo cambian porque se diluyen, el proceso de maduración de la uva es complejo para que todos los componentes alcancen óptimas concentraciones.

Los cambios no solo afectan a la pulpa y la piel, en la semilla el embrión está formado, y pasan de verdes a amarillas y luego marrones debido a la oxidación de los taninos de los tegumentos, almacenan almidones, lípidos y minerales, se vuelven duras, se desecan, pierden peso fresco y ganan peso seco hasta que las uvas alcanzan su máximo peso.