Ce processus est comparable à celui de la photosynthèse qui permet de produire des substances glucidiques à partir du gaz carbonique (CO2) de l'atmosphère. Mais, alors que la photosynthèse est le fait de tous les végétaux (sauf les végétaux saprophytes), la fixation de l'azote atmosphérique n'est réalisée que par certaines espèces de bactéries et d'algues cyanophycées.

Toutefois, certaines plantes, principalement de la famille des Fabacées (légumineuses), la réalisent de façon indirecte, en symbiose avec des bactéries qui se localisent généralement dans des nodosités situées sur les racines.

Ces organismes procaryotes produisent une enzyme, la nitrogénase qui permet de réaliser la synthèse de l'ammoniac qui est une réduction fortement endothermique : N2 + 3 H2 --> 2 NH3
dans les conditions du sol, alors que les procédés industriels requièrent une température de 500 °C et une pression de l'ordre de 400 atmosphères. L'ammoniac est ensuite transformé en acides aminés utilisables par les plantes.

Les bactéries fixatrices d'azote
Il existe des bactéries libres qui vivent dans le sol et assure la fixation de l'azote soit seules soit en symbiose avec d'autres bactéries. Ce sont principalement:

des bactéries aérobies : Azotobacter, Azomonas ;
des bactéries anaérobies : Clostridium, Citrobacter...
D'autres bactéries vivent en symbiose avec des plantes :

Rhizobium : légumineuses ;
Actinomycètes : diverses espèces d'angiospermes, essentiellement arbres et arbustes, notamment les aulnes, l'argousier et le Myrica gale.

Le cas des légumineuses
Les rhizobiums qui sont capables d'infecter les racines des légumineuses (famille des Fabacées) appartiennent à plusieurs espèces spécifiques de certaines plantes-hôtes. Ainsi Rhizobium phaseoli infecte les haricots (Phaseolus sp). Les bactéries provoquent la formation de nodosités sur les racines en pénétrant par les poils racinaires, et se transforment en « bactéroïdes » de plus grande taille. Les nodosités sont le siège d'une activité symbiotique dans laquelle la plante fournit les sucres et l'énergie, issus de la photosynthèse, et bénéficie en retour des acides aminés qui y sont produits.

Cette activité peut produire jusqu'à 300 kg d'azote à l'hectare qui se retrouve en partie dans les récoltes exportées (protéines des graines et fourrages) et en partie dans le sol, utilisable par les cultures suivantes.

Au niveau mondial, on estime à 100 millions de tonnes par an le volume d'azote ainsi fixé, soit l'ordre de grandeur de la production d'azote de l industrie chimique.

Autres plantes fixatrices de l'azote
De nombreuses plantes ont une association similaires:

Lobaria et certains lichens.
Azolla
Cycadacée
Gunnera
Alnus
Pseudoacacia
Ceanothus
Myrica
Cercocarpus
Purshia tridentata)
Shepherdia argentea)
Casuarina
Allocasuarina ainsi que d'autre genre de la famille des Casuarinaceae