O pão fermento é único porque não requer nenhum fermento comprado em loja, como outros pães com fermento. Apresenta uma cultura de levedura e bactéria simbiótica que surge naturalmente dos microrganismos presentes na farinha. Uma cultura starter pode ser adicionada, especialmente para produzir um sabor específico, como aquele associado à levedura Candida milleri e à bactéria Lactobacillus sanfranciscensis do pão de massa fermentada de São Francisco, mas não é necessário. Tudo que se precisa para fazer uma cultura de massa fermentada é farinha e água.
A bactéria em uma cultura de pão de massa fermentada é Lactobacillus, ou bactéria do ácido láctico, que também é usada em alimentos como chucrute, kimchi, pickles, queijo e iogurte. É esta bactéria que dá ao pão seu sabor azedo característico, enquanto o fermento permite que o pão cresça. O fermento e as bactérias naturalmente presentes na farinha são ativados misturando-se com água e deixando-a em um ambiente aquecido. Diferentes tipos de farinha são mais ou menos ricos em microorganismos, e às vezes uvas orgânicas não lavadas são adicionadas à mistura para aumentar o fermento natural e ajudar o desenvolvimento da cultura. O malte diastático também pode ser adicionado a uma cultura jovem para fornecer açúcares extras para a levedura se alimentar.
Uma cultura de massa fermentada, também conhecida como starter ou esponja, deve ser “alimentada” diariamente, quando jovem, com farinha fresca e água. Conforme a cultura amadurece, ela pode ser refrigerada e alimentada com menos frequência. Uma parte da cultura é usada para cada novo pão de massa fermentada. Uma cultura de massa fermentada bem mantida pode servir um padeiro por muitos anos.
Sourdough é um dos tipos de pão mais antigos. O pão de centeio 100% comum no norte da Europa é um exemplo de pão de fermento, e as baguetes e outros pães do sul da Europa eram tradicionalmente feitos com fermento antes do advento das culturas de fermento de crescimento mais rápido. Nos Estados Unidos, o pão de massa fermentada de São Francisco é particularmente famoso. Algumas culturas de massa fermentada de São Francisco estão em uso há 150 anos. O doce Pão Amish da Amizade tradicionalmente passado aos amigos é outro exemplo de pão de massa fermentada americano.