生物固氮是固氮微生物的一种特殊的生理功能，已知具固氮作用的微生物约近50个属，包括细菌、放线菌和蓝细菌(即蓝藻)，它们的生活方式、固氮作用类型有较大区别，但细胞内都具有固氮酶。不同固氮微生物的固氮酶均由钼铁蛋白和铁蛋白组成。固氮酶必须在厌氧条件下，即在低的氧化还原条件下才能催化反应。固氮作用过程十分复杂，目前还不完全清楚。各种固氮微生物进行固氮作用的总反应可用以下简式表示:

根据固氮微生物与高等植物的关系，可分为自生固氮菌、共生固氮菌以及联合固氮菌。其所进行的固氮作用分别称为自生固氮，共生固氮或联合固氮。

另外，还有大豆等生物，跟也有固氮作用。

自生固氮菌(Azotobacteria)是自由生活在土壤或水域中，能独立进行固氮作用的某些细菌。以分子态氮为氮素营养，将其还原为NH3，再合成氨基酸、蛋白质。包括好氧性细菌，如固氮菌属、固氮螺菌属以及少数自养菌;兼性厌氧菌，如克雷伯氏菌属;厌氧菌，如梭状芽孢杆菌属的一些种。还有光合细菌如红螺菌属、绿菌属以及蓝细菌(蓝藻)，如鱼腥藻属、念珠藻属等。

近年在上述两个类型之间又提出一个中间类型，称为联合固氮。即有的固氮菌生活在某些植物根的粘质鞘套内或皮层细胞间，不形成根瘤，但有较强的专一性，如雀稗固氮菌与点状雀稗联合，生活在雀稗根的粘质鞘套内，固氮量可达15~93千克/公顷·年。其他如生活在水稻、甘蔗及许多热带牧草的根际的微生物，由于与这些植物根系联合，因而都有很强的固氮作用。

共生固氮菌在与植物共生的情况下才能固氮或才能有效地固氮，固氮产物氨可直接为共生体提供氮源。共生固氮效率比自生固氮体系高数十倍。主要有根瘤菌属(Rhizobium)的细菌与豆科植物共生形成的根瘤共生体，弗氏菌属(Frankia)与非豆科植物共生形成的根瘤共生体;某些蓝细菌与植物共生形成的共生体，如念珠藻或鱼腥藻与裸子植物苏铁共生形成苏铁共生体，红萍与鱼腥藻形成的红萍共生体等。在实验条件下培养自生固氮菌，培养基中只需加入碳源(如蔗糖、葡萄糖)和少量无机盐，不需加入氮源，固氮菌可直接利用空气中的氮(N2)作为氮素营养;如培养根瘤菌，则需加入氮素营养，因为根瘤菌等共生固氮菌，只有与相应的植物共生时，才能利用分子态氮(N2)进行固氮作用。

即采用人工或自然的方式，使空气中的氮气转化为氮化物。电离作用和大自然中的闪电能使空气中的氮气和氧气产生化合作用，形成 一氧化氮，一氧化氮极其不稳定，会瞬间被氧化成二氧化氮。二氧化氮溶于水形成稀薄的硝酸，而硝酸会与土壤里的元素形成氮化物，从而被植物吸收。