Hầu hết các sinh vật không thể sử dụng nitơ trừ khi nó được kết hợp hoặc “cố định” với các nguyên tố khác để tạo thành các hợp chất nitơ. Sự cố định nitơ xảy ra trong tự nhiên do sét hoặc vi khuẩn cố định nitơ.
Có hai nhóm vi khuẩn cố định nitơ lớn. Nhóm đầu tiên bao gồm các vi khuẩn sống tự do, không gắn vào bất kỳ loài thực vật nào nói riêng và được tìm thấy trong đất hoặc trong nước. Ví dụ về nhóm này bao gồm các chi Clostridium và Azotobacter, cũng như một số loài tảo xanh lam. Nhóm thứ hai bao gồm vi khuẩn sống trên rễ của một số cây họ đậu. Vi khuẩn này bao gồm vi khuẩn thuộc giống Rhizobium, sống trong các nốt sần trên rễ cây.
Mối quan hệ giữa thực vật và vi khuẩn là mối quan hệ cộng sinh. Thực vật cung cấp thức ăn cho vi khuẩn. Vi khuẩn giúp bón phân ngược lại đất bằng cách hình thành các hợp chất amoni thông qua quá trình cố định nitơ trong khí quyển. Các hợp chất này được tiết ra trong đất, nơi chúng có thể được hấp thụ bởi các cây họ đậu cũng như các cây khác mọc trong cùng một khu vực.
