包括兩個細菌亞群，一類是亞硝酸細菌（又稱氨氧化菌），將氨氧化成亞硝酸，另一類是硝酸細菌（又稱硝化細菌），將亞硝酸氧化成硝酸。這兩類菌能分別從以上氧化過程中獲得生長所需要的能量，但其能量利用率不高，故生長較緩慢，其平均代時（即細菌繁殖一代所需要的時間）在10小時以上。這兩類菌通常生活在一起，這樣便避免了亞硝酸鹽在土壤中的積累，有利于機體正常生長，而土壤中的氨或銨鹽必需在以上兩類細菌的共同作用下才能轉變為硝酸鹽。從而增加植物可利用的氮素營養。兩類菌均為專性好氣菌，在氧化過程中均以氧作為最終電子受體。大多數為專性化能自養型，不能在有機培養基上生長，例如亞硝化單胞菌（Nitrosomonas）、亞硝化螺菌（Ni-trosospira）、亞硝化球菌（Nitrosococcus）、亞硝化葉菌（Ni-trosolobus）、硝化刺菌（Nitrospina）、硝化球菌（Nitrococcus）等。只有少數為兼性自養型，也能在某些有機培養基上生長，例如維氏硝化桿菌（Nitrobacterwinogradskyi）的一些品系。從形態上看，也有多樣，如球形、桿狀、螺旋形等，但均為無芽孢的革蘭氏陰性菌；有些有鞭毛能運動，如亞硝化葉菌，借周身鞭毛運動；有些無鞭毛不能運動，如硝化刺菌。一般分布于土壤、淡水、海水中，有些菌僅發現于海水中，例如硝化球菌、硝化刺菌。硝化細菌在自然界氮素循環中具有重要作用。農業上可通過深耕、松土提高細菌活力，從而增加土壤肥力。但硝酸鹽也極易通過土壤滲漏進入地下水，成為一種潛在的污染源，造成對人類健康的威脅。因此農業上既可采用深耕、松土方法，亦可通過用施入氮肥增效劑（即硝化抑制劑），以降低土壤硝化細菌的活動，減低土壤氮肥的損失和對環境的污染。