La uva esencial de esta Denominación de Origen es la Tinta del País o Tinto Fino (es el nombre que en esta zona recibe la Tempranillo), que ocupa un 60% de los viñedos. También se utilizan las cepas tradicionales Garnacha Tinta y Albillo Blanca, así como las Cabernet Sauvignon, Malbec y Merlot, de origen francés. Es la variedad tinta más noble que existe en España y, como tal, desempeña un papel preponderante.

Tempranillo, en la etimología popular, quiere decir uva temprana lo cual la convierte en una cepa muy apropiada para viñedos que se hallan a una elevada altitud, como es el caso de la Ribera del Duero. La maduración precoz es una característica de las cepas que se cultivan en lugares más fríos (zonas septentrionales o tierras elevadas) y que deben acelerar su ciclo vegetativo antes de la llegada del frío otoñal. De ahí que se la considere de origen septentrional, frente a otras variedades como las Garnacha, Viura, Monastrell, Palomino, Malvasía o Moscatel, de ascendencia mediterránea.