Die Hefe ist ein einzelliger Sprosspilz, der unter bestimmten Bedingungen seinen Energiestoffwechsel je nach Umgebungsbedingungen von Atmung auf alkoholische Gärung umstellen kann. Beim Bierbrauen wird der durch das Maischen gewonnene Malzzucker aus der Würze von der Bierhefe zu Alkohol und Kohlensäure vergoren. Nebenbei wird eine Fülle an höheren Alkoholen und fruchtigen Estern gebildet, die den Geschmack des fertigen Bieres prägen. Dazu verwendet man in der Brauerei zwei große Gruppen von Hefepilzen, die in ihrem Verhalten grundsätzlich verschieden sind. Nämlich obergärige Hefen (Saccharomyces cerevisiae) und untergärige Hefen (Saccharomyces carlsbergensis).

Die obergärigen Hefen, vermutlich die Urform, gären bei Temperaturen von 15 bis 25 Grad Celsius. Sie bilden zusammenhängende Zellverbände und steigen am Ende der intensiven Hauptgärung, getragen von den gebildeten Kohlensäurebläschen, an die Oberfläche des Jungbieres im Gärbottich oder Gärtank. Die untergärigen Hefen hingegen bleiben als einzelne Zellen bestehen und bilden keine Sprossverbände. Sie vergären bei 5 bis 12 Grad Celsius und setzen sich am Ende der Gärung am Boden des Gärgefäßes ab.

Vertreter für untergärig hergestellte Biere sind Märzen- und Lagerbiere sowie Pils, für obergärige die Bierstile Weizenbier, Kölsch, Altbier, Ale, Stout und Porter sowie in Belgien übliches Witbier, Fruchtbiere und spontan vergorene Biere.

Die Hefe ist einzellig, von runder bis elliptisch-ovaler Form mit einer Länge von 8 bis 10 Mikrometer und einer Breite von 5 bis 7 Mikrometer. Der Zellkern und das Cytoplasma werden von einer Zellmembran umgeben. Die Hefezelle besteht zu 75 Prozent aus Wasser, die Trockensubstanz besteht mehrheitlich aus Eiweiß und Kohlenhydraten, geringen Mengen an Fetten und Mineralstoffen sowie den wertvollen B-Vitaminen.

Die in der Hefe reichlich vorkommenden Enzyme sind für die Nährstoffaufnahme, Stoffumwandlung, Vermehrung und das Wachstum zuständig.

Die Hefe vermehrt sich im Normalfall durch Sprossung, daher stammt auch der Name Sprosspilz. Dabei wird von der Mutterzelle eine kleine Ausstülpung gebildet, in die ein Teil des Zellplasmas sowie der aus dem Zellkern durch Teilung entstehende Tochterkern eintreten und die vollständige Tochterzelle ausbilden. Bei den untergärigen Hefestämmen trennen sich Mutter- und Tochterzellen vollständig, während bei den obergärigen die Zellen miteinander verbunden bleiben und Sprossverbände ausbilden.

Hefen können überall in der Natur - in der Luft, im Erdboden, im Wasser, in Blüten oder auf Früchten - vorkommen. Ohne zu wissen, dass dieser Pilz existiert, wurden bereits bei den Sumerern vor mehr als 6.000 Jahren Getreidemaischen bei relativ hohen Temperaturen "obergärig" zu Bier vergoren. In der späten Neuzeit entdeckten einige Brauer "untergärige" Hefen, die bei niedrigeren Temperaturen vergären. Das bei kühlen Raumtemperaturen langsam vergorene "Lagerbier" war heller in der Farbe und länger haltbar. Durch die Verdienste des Braupioniers Anton Dreher, dem Älteren, wurde 1841 in der Brauerei Schwechat mit dem Wiener Lager ein neuer Bierstil entwickelt, der auch weltweit zum Exportschlager wurde.

Unklar war bis zuletzt, woher die zum untergärigen Brauen notwendigen kältetoleranten Hefezellen stammen. Genanalysen der untergärigen Hefe hatten gezeigt, dass es sich bei der Art um eine Zellverschmelzung und Kreuzung aus der alten Form der Saccharomyces cerevisiae und einer weiteren Hefespezies handeln muss. Der nicht näher definierbare Kreuzungspartner hat offensichtlich die Kältetoleranz eingebracht.

Pilzforscher aller Welt waren auf der Suche nach der unbekannten Hefespezies, die in ihrer Gensequenz das gleiche Muster wie der Kreuzungspartner aufwies. 2011 waren sie in Patagonien, Argentinien, erfolgreich. Auf dort wachsenden Scheinbuchen wurden Hefen (Saccharomyces eubayanus) gefunden, die in Pflanzengallen leben und deren genetischer Code der gesuchten zweiten Stammart von Saccharomyces carlsbergensis entsprach. Die entdeckten Hefen vergären trotz niedriger Temperatur von 8 Grad Celsius den in den Gallen vorhandenen Zucker zu Ethanol. Vermutet wird, dass die südamerikanische Hefeart über das Holz der Scheinbuchen über den Atlantik kam oder auch im Magen von Fruchtfliegen mit den Seefahrern zu den europäischen Brauern eingeschleppt wurde und sich wahrscheinlich in Bayern mit den älteren Brauhefen kreuzte.

Die Vielzahl an Hefen unterscheidet sich in der Menge des vergorenen Malzzuckers (Vergärungsgrad), dem Absetzverhalten (Sedimentation), bis zu welchem Alkoholgehalt die Hefe die Gärung aufrecht hält (Alkoholtoleranz) und ihrem Geschmacksprofil. Typische Aromen, die als Gärungsnebenprodukte von der Hefevielfalt gebildet werden und so ins Bier gelangen können, erinnern an den Duft von Banane, Gewürznelke, Zitrusfrüchte, schwarze Johannisbeere, Apfel, Birne, rote Beeren oder tropische Früchte.