一些原核微生物通过固氮酶催化将大气中的分子态氮还原为氨的过程。自从德国学者赫尔利格尔（H.Hell-riegel）于1886年证明豆科植物根瘤具有同化分子态氮的能力以来，人们对生物固氮进行了大量研究，并努力应用于农业生产中。

现在所知的固氮生物都属于原核生物。根据不同固氮微生物的特性和同其他生物的关系，一般将固氮作用分为三种类型，即自生固氮、共生固氮和联合固氮。有些固氮微生物在土壤或培养基中生活时可以固定分子态氮，对其他生物没有依存关系，称为自生固氮作用，或自生固氮体系，如圆褐固氮菌（见固氮细菌）。有些微生物和其他生物共生时进行固氮作用，称为共生固氮作用或共生固氮体系。共生固氮体系一般有特定的形态结构，如豆科植物的根瘤是根瘤菌和植物相互作用形成的共生固氮体系。常见的共生固氮体系可以分为两大类：①根瘤菌同豆科植物和弗兰克氏放线菌同一些非豆科被子植物的共生；②蓝细菌（蓝绿藻）同真菌、水生蕨类植物、裸子植物等的共生。在共生体系中固氮的微生物称为共生固氮微生物。但是它们不一定只能在共生时固氮，已证明某些种类也能在人工培养时表现不同程度的固氮能力。不过共生状态是它们（如根瘤菌）在自然条件下发挥高效固氮作用所必需的。联合固氮作用是上述二者之间的中间类型。有些固氮微生物，如固氮螺菌、雀稗固氮菌等（见固氮细菌），能够生活在玉米、雀稗、水稻、甘蔗等植物根系的粘质鞘内或皮层细胞之间，形成联合固氮体系。它们与植物的关系有一定程度的专一性，但不形成特殊结构，而且都能够自生固氮。

固氮酶和分子氮的还原，不论哪一类固氮体系，分子氮的还原都是固氮酶催化的。肺炎克氏杆菌（Kleb-siella pneumoniae）的固氮酶由铁蛋白和钼铁蛋白组成。其他来源的固氮酶也是如此。铁蛋白分子为5.7×10⁴～7.2×10⁴的二聚体，含有一个〔Fe₄S₄（CyS）₄〕^n＋簇。钼铁蛋白分子为2.0×10⁵～2.4×10⁵的α₂β₂型四聚体，每分子钼铁蛋白含有两个铁钼辅因子，是催化作用的活性中心；还有4个〔4Fe-4S〕簇，称P中心。最近还从固氮菌（Azotobacter）等细胞中发现了其他固氮酶体系。如由钒铁蛋白和铁蛋白组成的固氮酶。

固氮酶具有底物多样性，除还原分子氮为氨外，还能催化C₂H₂、H^＋、HCN、CH₃NC、HN₃和等的还原作用。固氮酶还原乙炔成为乙烯的作用被用来间接测量固氮酶的活性。理论计算，1分子N₂被还原为2分子NH₃需要6个电子，1分子C₂H₂被还原为1分子C₂H₄只需2个电子，比例为3∶1。但由于不同固氮体系的差异和不同条件，不能简单地根据所测定的乙烯量以3∶1的比例来换算为固氮量，实际上从1.5∶1到25∶1的情况都是存在的。

固氮酶进行催化作用必须同时有两种酶蛋白组分、电子、质子（H^＋）、Mg^＋＋ATP，并且在高还原势中进行。细胞内电子供体产生的电子经过电子载体（起电子传递作用的铁氧还蛋白和黄素氧还蛋白等），首先还原铁蛋白；进而还原了的铁蛋白将电子转移给钼铁蛋白，使其还原。最后还原了钼铁蛋白将电子转交给底物，完成了催化全过程。也有学者把铁蛋白称为固氮酶的还原酶，而将钼铁蛋白称为固氮酶或氮气酶。H₂是固氮作用的竞争性抑制剂，固氮过程中H₂的形成是不可避免的，即使在50个大气压N₂情况下，也至少有25%的电子向H^＋转移，形成H₂。对固氮而言H₂的形成浪费能量。生物固氮作用的总反应是：

生物固氮

由一分子N₂还原为2分子NH₃过程中，电子的转移是多步骤的。固氮酶完成一个催化循环，只转移一个电子。完成8个电子的转移，一分子固氮酶必须经历8次催化循环。有些固氮微生物具有吸氢酶，催化H₂的氧化，释放出电子。铁蛋白每转移一个电子有2分子MgATP被水解。固氮作用消耗很大的能量。

由于氧气对固氮酶的钝化作用，固氮酶的催化作用只能在防氧保护条件下进行。对于严格厌气性固氮微生物而言，其生活条件和固氮条件是一致的。好气性固氮微生物需要在有氧条件下生活，同固氮作用需要的条件相矛盾。不同好气性固氮微生物都有各自的防氧保护机制，使其在有氧条件下细胞内固氮酶正常地进行催化作用，如固氮菌的“呼吸保护”，有些丝状蓝细菌形成异形胞。

氨是固氮作用的产物，但过多外源铵盐等化合态氮存在时，固氮作用将受抑制，这时固氮微生物利用化合态氮进行生长。氨既抑制固氮酶活性，也阻遏固氮酶合成。

豆科植物的根瘤是根瘤菌和植物相互作用而产生的形态与功能相协调的统一体。豆科植物提供能量，根瘤菌还原分子态氮。成熟根瘤的主要部分是：①根瘤皮层；②分生组织；③含菌组织；④维管束；⑤细胞间隙含菌组织是固氮作用的部位，豆血红蛋白在其中的存在一般是有效根瘤的标志。

在全球近2万种豆科植物中，还只调查了3000余种的结瘤情况。其中含羞草亚科和蝶形花亚科能结瘤的种类分别达90%和98%。而苏木亚科中只有约28%的种类结瘤。共生固氮关系具有专一性，特定的根瘤菌种类和特定的豆科植物种类形成共生体系。所以共生固氮比自生固氮所涉及的遗传因素更多，包括根瘤菌的结瘤基因、固氮基因和共生固氮基因等，在大多数快生型根瘤菌中这些基因主要在质粒上。根瘤菌能否使豆科植物结瘤，还决定于植物的有关基因，如阻碍结瘤的植物基因，协调固氮功能的各种根瘤素基因。

据估计，全球生物固氮作用每年可将1.75亿吨分子态氮转化为氨，大大超过工业固氮量。上世纪末根瘤菌的纯培养体就被用作接种剂，本世纪初出现根瘤菌剂的商品生产。中国1950年开始在一些省应用根瘤菌剂。大豆、花生、紫云英、三叶草等根瘤菌剂在不同范围内持续应用。有肯定增产效果。固氮菌剂也进行了广泛试验。固氮蓝藻和联合固氮菌的应用研究也引起了重视。

生物固氮作用对植物生长和土壤氮素的累积有重要意义，但尚未被充分利用。主要是由于固氮作用本.身的局限性（如大多数农作物不形成共生固氮体系）和发挥固氮效率的条件常常未能充分保证。现有熟知的固氮体系的充分利用必能为当前农业生产带来更多实际效益。开发利用有潜在增产作用的各种固氮体系和开展扩大固氮作用范围（包括通过生物技术构建固氮新体系）的研究必能为农业生产带来更大效益。