大豆和根瘤菌共生，将空气中分子态氮固定为可供植物利用的氨态氮的过程。根瘤固氮对增进大豆产量，改善品质，培肥土壤，少用合成氮素化肥，节省能源，有重要意义。

根瘤中的类菌体是固氮酶合成和进行固氮作用的场所。根瘤固氮是在根瘤内部出现红色豆血红蛋白并在固氮酶的作用下开始的。大豆根瘤菌固氮需要的能量是由叶茎的光合产物转运到根和根瘤中，通过暗呼吸氧气磷酸化作用而产生的。固氮酶活性在氧浓度高时钝化，而豆血红蛋白是调控氧的装置，根瘤中氧多时，与其结合；氧少时，结合的氧又放出，从而解除了这个矛盾。固氮酶由两种组份组成。组份Ⅰ为钼和铁蛋白（分子量为220000道尔顿）；组份Ⅱ为铁蛋白（分子量为60000道尔顿）。除铁钼之外还含有不稳定的含硫辅酶。固氮酶以氮素（N₂）为基质，将其催化还原为氨。在氮被还原为氨的同时产生氢气，损失能量。70年代发现根瘤含有氢酶，在这种酶的作用下，使固氮过程中释放的氢，可以回收利用，参与能量再循环。根瘤类菌体中形成的氨绝大部分被分泌到植物细胞汁液中，转化成便于运输和同化的有机物质——天冬酰胺和酰脲（尿囊素和尿囊酸）。尿囊素和尿囊酸是大豆生殖生长时期根瘤输出的主要含氮化合物。生育后期，根瘤菌能将所固定氮的80～90%供大豆植株利用。由于共生固氮需要能量，所以固氮是一种很高的能量消耗过程。如以放出的碳氮比值作为消耗能量的指标时，大豆的碳氮比值约为6.7。

土壤水分过多和不足对大豆根瘤固氮都产生不利的影响。失水超过完全膨胀的根瘤所含有水分的20%时，会使根瘤的呼吸作用变得很低，固氮作用停止。化合态氮（NH₄NO₃）对根瘤的发生和发育有抑制作用。土壤含氮量高或施氮多，土壤有效态氮增高时，结瘤少，固氮率低。但在幼苗生长的早期，少量的化合态氮有利于单株总的结瘤数目的增加。土壤中的氧气，磷、钾、钙和钼是结瘤和固氮所必需的。由于大豆光合产物提供固氮酶所需要的基本能量和合成含氮有机化合物所需要的碳素骨架，所以，凡影响大豆光合作用的有关因素都影响结瘤和固氮。根瘤菌的菌系和大豆品种之间的搭配在固氮反应上也有一定的特殊性。

一日中大豆根瘤菌固氮活性是有节奏变化的，夜间固氮活性较低，天明后逐渐升高。阴雨天固氮活性明显下降，日变化幅度缩小，转晴后回升，大豆开花和成熟始期根瘤固氮活性日变化较大，结荚始期和鼓粒期居中。一日中固氮活性出现高峰的时间，分枝期和花期在6～9时，结荚鼓粒期在12～15时，成熟始期在12时。

大豆第一片复叶展开时，根瘤即具固氮活性，此后迅速上升，至初花期达高峰，以后又急剧下降，至鼓粒始期活性又略有回升，然后逐渐下降，成熟时活性完全消失。大豆植株孕蕾期，根瘤菌固氮较少，而在开花期至鼓粒期大约50天时期内固氮作用最强。高峰的持续时间取决于光合速率大小和分配到根瘤的光合产物的多少。开始主根根瘤固氮活性大于侧根，而到最后侧根根瘤却表现出较高的固氮效率。

大豆单株根瘤固氮量（毫克N/株·日）主要取决于结瘤量多少。但有的品种根瘤固氮量高低与结瘤量多少不呈正相关。田间试验结果，大豆根瘤共生固氮量平均为100千克/公顷左右。大约成熟植株中全氮的25～66%来自共生固氮，其余是从土壤中吸收的。盆栽试验结果，每株大豆一生固氮量有的高达2克。固氮量约为60～80千克/公顷，占大豆需氮量的1/4～2/3。