生物把空氣中分子態氮進行固定，作為其氮源而進行同化的現象。固氮菌、梭狀芽胞桿菌屬（Clostridium）、各種光合細菌、其他多種細菌以及許多藍藻都具有這種活性，還有豆科植物的根瘤菌、山桃或赤楊等與某種放線菌存在共生關系時也能進行固氮。氮素固定的酶系統已從上述多種生物的細胞外抽提液獲得并提純。通過這種酶系統可把氮還原成氨，但還沒有發現在還原中有穩定的中間產物。為了進行還原，除了直接使氮素活化的固氮酶外，還需要有還原用的電子供體、電子傳遞酶以及ATP．固氮酶是由含鐵鉬的酶蛋白質和含鐵的酶蛋白質共同構成。據認為進行電子傳遞的酶是鐵氧化還原蛋白等。另外，電子供體的種類及其供給方式，可因固氮生物的種類而各具特征。即使是固氮菌在利用氨等生長時，菌體中也不產生固氮酶。固氮酶系統除分子態氮素以外，還能夠還原氧化氮、疊氮、乙炔等。特別是因為乙炔還原為乙烯的反應比較容易測定，所以常常利用這個特點對菌體或細菌抽提液進行氮素固定能力的測定。