（1）固氮：固氮是大气中氮被转化成氨（铵）的生化过程。固氮微生物都具有固氮基因和由其编码合成的固氮酶，生物固氮是只有微生物或有微生物参与才能完成的生化过程。
（2）氨化作用:氨化作用是有机氮化物转化成氨的过程。它是通过微生物的胞外和胞内酶系以及土壤动物释放的酶催化的。首先是胞外酶降解含氮有机多聚体，然后形成的单聚体被微生物吸收到细胞内代谢，产生的氨释放到土壤中。氨化作用放出的氨可被微生物固定利用和进一步转化。
（3）硝化作用：硝化作用是有氧条件下氨被氧化成硝酸盐的过程。硝化作用是由两群化能自养细菌进行的，先是亚硝酸单胞菌将氨氧化为亚硝酸；然后硝酸杆菌再将亚硝酸氧化为硝酸。氨和亚硝酸是它们的能源。
（4）硝酸盐还原和反硝化作用：土壤中的硝酸盐可以经由不同途径而被还原，包括同化还原和异化还原两方面，还原产物可以是亚硝酸、氧化氮、氧化亚氮等。
同化还原是指微生物将吸收的硝酸盐逐步还原成氨用于细胞物质还原的过程。植物、真菌和细菌都能够进行NO3-的同化还原，在同化硝酸酶系催化下先形成NO2-继而还原成NH2OH,最后成为NH3，由细胞同化为有机态氮。
硝酸盐的异化还原比较复杂，有不同途径。因微生物和条件不同，可以只还原为NO和N2O，也可以还原为分子氮。只有细菌具备NO3-的异化还原作用。
反硝化作用即反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮（N2）或一氧化二氮（N2O）的过程，即脱氮作用。能够进行反硝化作用的只有少数细菌。
