在自然界中，氮素是以大气中的分子态氮开始，包括从硝酸和氨化合物到蛋白质和核酸，从构造简单到结构复杂的许多连续不同的物质。这些不同物质相互有关连地进行变化的现象，称为氮素循环。空气中的分子态氮，被根瘤菌（rhizobium）、各种光合细菌、自生固氮菌、能形成根瘤或某些蓝藻类固定形成氨氮（氮素固定）后，进一步同化。此外尚有通过空中放电而变成硝酸等氧化物。绿色植物和霉菌由于不能固定分子态氮，而只能以硝酸、亚硝酸和氨的形态来吸收氮，经同化作用制成蛋白质、核酸等，这些构成物质在死亡后又分解成酰胺和氨等。酵母和一般细菌，从天冬酰胺和谷氨酰氨一类的酰胺构成活体，待驱体分解后再变成氨。动物和某些种类的细菌，由于不能同化无机氮素化合物，所以吸收植物合成的特定氨基酸的有机氮，再进一步变成复杂的氮素化台物。动物一般除以尿素和尿酸的形态排出其氮素外，死后以分解产生的酰胺或氨归还于土中。另外，腐生细菌能把酰胺、尿素、尿酸等分解成氨。硝化细菌（Nitrosomonas）把氨氧化成为亚硝酸，再经硝化细菌把亚硝酸氧化成为硝酸。脱氮细菌（Bacillusnitroxus），Bacillus stutzeri，绿脓杆菌（Bacteriumpyocyaneum）等把硝酸还原成为亚硝酸，继而生成分子态氮。有关这些循环的模式图，已由H．G．Lundeg-ardh，C．C．Delwiche制出。关于循环过程的全部情况和定量的测定，目前虽尚未进行，但估计主要作物吸收的氮量每公顷为50—90公斤，阔叶树每公顷为55公斤，针叶树每公顷为35—45公斤左右。旱田约25％，森林约80％要回到土壤中去。另外，除由固氮菌所固定的氮素外，由降雨或尘埃所带来的氮素化合物（NH₃、NO₂、NO₃）中的氮，每年每公顷约有7—14公斤以上，这些也都是植物的氮素来源。