在自然界中，氮素是以大氣中的分子態氮開始，包括從硝酸和氨化合物到蛋白質和核酸，從構造簡單到結構復雜的許多連續不同的物質。這些不同物質相互有關連地進行變化的現象，稱為氮素循環。空氣中的分子態氮，被根瘤菌（rhizobium）、各種光合細菌、自生固氮菌、能形成根瘤或某些藍藻類固定形成氨氮（氮素固定）后，進一步同化。此外尚有通過空中放電而變成硝酸等氧化物。綠色植物和霉菌由于不能固定分子態氮，而只能以硝酸、亞硝酸和氨的形態來吸收氮，經同化作用制成蛋白質、核酸等，這些構成物質在死亡后又分解成酰胺和氨等。酵母和一般細菌，從天冬酰胺和谷氨酰氨一類的酰胺構成活體，待驅體分解后再變成氨。動物和某些種類的細菌，由于不能同化無機氮素化合物，所以吸收植物合成的特定氨基酸的有機氮，再進一步變成復雜的氮素化臺物。動物一般除以尿素和尿酸的形態排出其氮素外，死后以分解產生的酰胺或氨歸還于土中。另外，腐生細菌能把酰胺、尿素、尿酸等分解成氨。硝化細菌（Nitrosomonas）把氨氧化成為亞硝酸，再經硝化細菌把亞硝酸氧化成為硝酸。脫氮細菌（Bacillusnitroxus），Bacillus stutzeri，綠膿桿菌（Bacteriumpyocyaneum）等把硝酸還原成為亞硝酸，繼而生成分子態氮。有關這些循環的模式圖，已由H．G．Lundeg-ardh，C．C．Delwiche制出。關于循環過程的全部情況和定量的測定，目前雖尚未進行，但估計主要作物吸收的氮量每公頃為50—90公斤，闊葉樹每公頃為55公斤，針葉樹每公頃為35—45公斤左右。旱田約25％，森林約80％要回到土壤中去。另外，除由固氮菌所固定的氮素外，由降雨或塵埃所帶來的氮素化合物（NH₃、NO₂、NO₃）中的氮，每年每公頃約有7—14公斤以上，這些也都是植物的氮素來源。