A decomposição da matéria orgânica é composta de uma sequência de reações. No caso dos compostos nitrogenados, a primeira reação é a nitrificação, que é a conversão de compostos nitrogenados orgânicos em nitrito, através da ação de bactérias do gênero Nitrosomonas.

As formas de entradas naturais de nitrogênio no ciclo são a fixação biológica de nitrogênio (FBN), a decomposição da matéria orgânica e a fixação atmosférica por descargas elétricas. Esta, resulta na formação do nitrato e amônio, que são conduzidos pela água da chuva ao solo.

Um dos três principais gases de efeito estufa é o óxido nitroso (N₂O), que possui o agravante de ser o gás de maior poder de aquecimento global, quando comparado ao CO₂ e ao CH₄. Uma das principais fontes de emissão de óxido nitroso para a atmosfera é o uso de fertilizantes agrícolas nitrogenados.

O uso de bactérias fixadoras de nitrogênio em culturas agrícolas da família Fabaceae, pode reduzir os custos de produção, além de ser uma alternativa mais sustentável à aplicação de fertilizantes nitrogenados sintéticos.

A fixação de nitrogênio industrial foi desenvolvida no começo do século XX, com o desenvolvimento da indústria bélica - o nitrato é a matéria prima para explosivos. Nesse processo (Haber-Bosch), ocorre a conversão do N₂ gasoso em amônia, que é empregada na fabricação dos fertilizantes nitrogenados.