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Los procesos principales que componen el ciclo del nitrógeno que pasa por la biosfera, la atmósfera y la geosfera son cinco:

La fijación del nitrógeno: Es un proceso en el cual el nitrógeno gaseoso de la atmósfera (N2) se convierte en amonio. Es esencial porque es la única manera en la que los organismos pueden obtener nitrógeno directamente de la atmósfera. Algunas bacterias, por ejemplo las del género Rhizobium, son los únicos organismos que fijan el nitrógeno a través de procesos metabólicos; por medio de una asociación ecológica conveniente llamada simbiosis, que ocurre de manera bien conocida, en la familia de las legumbres.

Por otra parte además del nitrógeno que fija la bacteria, eventos de alta energía natural, tales como los relámpagos, fuegos forestales, y hasta flujos de lava, pueden causar la fijación de pequeñas, pero significativas cantidades de nitrógeno.

La toma de nitrógeno (crecimiento de organismos): El amonio producido por el nitrógeno que fija la bacteria es usualmente incorporado rápidamente en la proteina y otros compuestos de nitrógeno orgánico, ya sea por la misma planta anfitriona, por la misma bacteria, o por otro organismo del suelo. Cuando los organismos más cercanos a lo alto de la cadena alimenticia, como por ejemplo,  nosotros, comemos, usamos el nitrógeno que ha sido inicialmente fijado por el nitrógeno que fija la bacteria.

La mineralización del nitrógeno (desintegracion): Después de que el nitrógeno se incorpora en la materia orgánica, frecuentemente se vuelve a convertir en nitrógeno inorgánico a través de un proceso llamado mineralización del nitrógeno o desintegración. Cuando los organismos mueren, durante el proceso de la descomposición, una cantidad significativa del nitrógeno contenido dentro del organismo muerto se convierte en amonio. Una vez que el nitrógeno está en forma de amonio, está también disponible para ser usado por las plantas o para transformaciones posteriores en nitrato a través del proceso llamado nitrificación.

La nitrificación: Parte del amonio producido por la descomposición se convierte en nitrato a través de un proceso llamado nitrificación. Las bacterias que llevan a cabo esta reacción obtienen energía de sí misma. La nitrificación requiere la presencia del oxígeno. Por consiguiente, la nitrificación puede suceder sólamente en ambientes ricos de oxígeno, como las aguas que circulan o que fluyen y las capas de la superficie de los suelos y sedimentos.

La denitrificación: A través de la denitrificación, las formas oxidadas de nitrógeno como el nitrato y el nitrito se convierten en dinitrógeno (N2) y, en menor medida, en gas óxido nitroso. La denitrificación es un proceso anaeróbico (en ausencia de oxígeno) llevado a cabo por la bacteria que denitrifica, que convierte el nitrato en dinitrógeno

El óxido nítrico y el óxido nitroso son gases importantes para el ambiente. El óxido nítrico contribuye a formar smog, y el óxido nitroso es un gas de invernadero importante, por lo que contribuye a los cambios globales climatológicos.

Una vez que se conviete en dinitrógeno, el nitrógeno tiene pocas posibilidades de reconvertirse en una forma biológica disponible, ya que es un gas y se pierde rápidamente en la atmósfera. La denitrificación es la única trasformación del nitrógeno que remueve el nitrógeno del ecosistema (que es esencialmente irreversible), y aproximadamente balancea la cantidad de nitrógeno fijado por los fijadores de nitrógeno descritos con anterioridad.