Se trata de un ciclo complejo. La atmósfera con un 79% en volumen de nitrógeno, es a la vez la gran reserva y la válvula de seguridad del sistema ya que alimenta constantemente al ciclo de diversos modos.
Desde un punto biológico el principal reservorio de nitrógeno está constituido por el nitrógeno orgánico (urea, proteínas, ácidos nucleicos) y el mineral (amonio, nitritos y nitratos). En el ciclo del nitrógeno tienen lugar una serie de transformaciones químicas producidas por un reducido número de organismos especializados.
Para que el nitrógeno atmosférico sea utilizable por los organismos debe ser fijado en forma de moléculas inorgánicas (amonio, nitritos y nitratos). Dicha fijación se puede producir como resultado de procesos físico-químicos. Las descargas eléctricas que se producen durante las tormentas sintetizan óxidos de nitrógeno a partir del nitrógeno (N2) y del oxígeno (O2) del aire, siendo conducidos hasta el suelo por la lluvia. La cantidad de nitratos producida anualmente gracias a los referidos procesos es de unos 7,5 millones de toneladas.
Sin embargo, mucho más importante es la fijación biológica, cuyo volumen anual es de unos 44 millones de toneladas. La mayor parte de nitrógeno penetra en los ecosistemas por la acción de los microorganismos fijadores de nitrógeno (fijación biológica). Generalmente se trata de bacterias que pueden utilizar la energía de la respiración para incorporar directamente el nitrógeno del aire hasta formar proteínas. Estas bacteria actúan a veces aisladamente en aerobiosis (Azotobacter) o en anaerobiosis (Clostridium).
Las bacteria más eficaces son las que viven en simbiosis con las plantas leguminosas, en nódulos que se desarrollan en las raíces. Los Rhizobium asimilan grandes cantidades de nitrógeno molecular formándose nitrógeno orgánico que enriquece la planta hospedadora y difunde hacia la rizosfera (parte del suelo en contacto con las raíces) enriqueciendo al ecosistema cuando los nódulos viejos se descomponen. Finalmente en las aguas y tierras húmedas son algunas algas azules (Cianofíceas) quienes fijan directamente el nitrógeno atmosférico. Desempeñan un papel muy importante en la producción de arrozales.
Estas diversas fuentes de nitrógeno aproximan dicho elemento generalmente en forma de nitrato hasta contactar con las raíces de las plantas donde son absorbidos y transformados en aminoácidos en los seres vivos. Cuando estos mueren, los descomponedores (bacterias y hongos principalmente) retornan rápidamente el nitrógeno orgánico a nitrógeno mineral, mediante el proceso llamado amonificación produciéndose amonio (NH4).
La mayoría de organismos no puede utilizar el nitrógeno en forma de amonio, siendo necesaria su transformación en nitratos mediante el proceso de nitrificación. Tiene lugar en dos etapas, en la primera las bacterias Nitrosomonas oxidan el amonio a nitrito y en la segunda el género Nitrobacter oxida éste hasta nitrato.
Por otro lado el nitrógeno es devuelto constantemente a la atmósfera por la acción de bacterias desnitrificantes que descomponen los nitratos hasta nitrógeno molecular que se volatiliza hacia la atmósfera.
También el nitrógeno puede salir del ciclo arrastrado del suelo por las lluvias (lixiviación) a los ríos y de éstos a los océanos donde se acumulan en sedimentos marinos profundos. Aquí el nitrógeno es tomado en parte por el fitoplancton y entra en el ciclo de los depredadores hasta los peces que pueden servir de presa a algunas aves o mamíferos que lo devuelven con sus deyecciones a la superficie de los continentes (guano).
En la agricultura, el uso excesivo de abonos nitrogenados representa un aporte exagerado de nitrógeno al suelo. Los suelos agrícolas merced a la ayuda de las lluvias y las aguas de riego pueden contaminar sistemas naturales adyacentes (ríos, acuíferos, etc) representando unas cantidades masivas de nitrógeno al ecosistema que pueden convertirse en perjudiciales ya que no puede asimilarlo en su ciclo biogeoquímico.