生物固氮的总反应式如下：
N2+8e+16MgATP+16H2O→2NH3+H2+16MgADP+16Pi+8H+
催化此反应的酶是固氮酶。固氮酶是多功能的氧化还原酶，除了还原N2以外，还能还原多种类型的底物，如
乙炔、
氰化物、氧化亚氮、联氨、叠氮化物和H+等。用气相色谱仪能很容易测定乙炔还原成
乙烯的产生量，这为研究固氮酶活性提供了极为简单的方法。该法对生物固氮研究取得重大进展发挥了作用。
固氮酶由铁钼蛋白(Fe-Moprotein)和
铁蛋白(Fe-protein)组成。这两个蛋白单独存在时都不呈现固氮酶活性，只有两者聚合构成复合体时才有催化氮还原的功能。铁钼蛋白由分子量分别为51kD和60kD的2个α亚基和2个β亚基组成的四聚体(α2β2)，分子量约为220～245kD。每分子铁钼蛋白含有两个钼原子，28个铁原子。铁蛋白的分子量在59～73kD之间，由两个分子量同为30kD的亚基组成(γ2)。铁蛋白含有4个铁原子。在氮还原为NH4+的过程中，固氮酶中的Fe和Mo都发生
氧化还原反应，如图5-20所示。类菌体利用碳水化合物进行呼吸作用产生NADH或NADPH和ATP。已经查明，固氮的天然电子传递体(供体)有铁氧还蛋白、黄素氧还蛋白等。固氮生物体内存在着ATP和二价的金属
离子(如Mg2+)是固氮不可缺少的条件。只有在Mg2+的作用下，ATP才可以与Fe蛋白结合，而且必需有Fe-Mo蛋白的参与才发生ATP
水解反应。Fe蛋白将电子传递给Fe-Mo蛋白的同时伴随着ATP水解产生ADP。Fe-Mo蛋白最后将电子传递给N2和质子，产生2分子NH3和1分子H2。
固氮酶对氧敏感，其催化反应需在厌氧下进行。除了专性厌氧的生物外，氧对其他固氮生物的固氮酶有损伤作用，但这些生物通过呼吸作用产生固氮必需的ATP又需要氧，所以高效率的固氮作用一般是在微氧下进行的。不同固氮生物避免氧对固氮酶伤害的机制各异。如具有异形胞的蓝藻的固氮功能主要在异形胞中进行，这种细胞外有一层防氧进入的糖脂组成的外膜，缺少水光解放氧的PSⅡ，其中戊糖
磷酸途径的两种酶活性较低，而超氧物歧化酶和脱氢酶活性都比较强，使异形胞保持了一个微氧环境。豆科植物的根瘤中类菌体有一层类菌体周膜，瘤内皮层内侧细胞排列紧密并形成间隙，两者对于保持类菌体的低氧环境十分重要。此外，根瘤细胞内的豆血红蛋白也部分地控制着类菌体氧气的需求。在非豆科植物共生固氮体系中，在与放线菌共生的瘤中有囊泡存在，这种囊泡可能与蓝藻的异形胞一样具有防氧功能。很明显，共生体系中的根瘤本身就是一个良好的氧保护系统。
在类菌体内合成的NH3(很可能是NH4+)要从类菌体内运出来，才能参与寄主植物中的代谢。在含类菌体细胞的细胞质中，NH4+转化成谷
酰胺、谷氨酸、天冬酰胺和酰脲。这些物质由转移细胞分泌到木质部，运输到植物的其他部分。
由于生物固氮的重要性，有关控制生物固氮的环境与遗传因素的研究受到重视。研究表明，凡是能增加植物光合作用能力的因素，如合适的水分、温度、强光照和高CO2水平等都可以促进固氮作用。豆科植物与固氮生物的遗传因素也影响固氮作用的速率和产量。例如其中一个遗传因素是豆科植物的结瘤能力，它依赖于根瘤菌与寄主植物之间的由遗传控制的识别过程。为提高结瘤能力，科学工作者正在进行改造根瘤菌基因以及选择合适的寄主品种的研究工作。另外一个遗传因素是固氮酶在还原N2的同时还原H+。由总反应式可见，固氮酶催化的反应中有1/4的电子用于还原H+产生H2。而H2被还原后逸出进入大气，这个过程使能量白白浪费。不过，大多数根瘤菌和自生固氮细菌均含有氢化酶，该酶将H2氧化成H2O，这一过程推动由ADP和Pi合成ATP的反应。有研究表明，与具有较高氢化酶活性的根瘤菌共生的豆科植物(如大豆)的产量比与无氢化酶活性的根瘤共生的稍高。可能是前者减少了能量的浪费。基于这种认识，通过基因工程技术可能会获得具有更高活性的氢化酶的根瘤菌并增加豆类产量。此外，用基因工程技术将固氮基因导入非豆科植物根，促使这些植物固氮的工作也获得了一定的进展。
植物的不同生长阶段会影响生物固氮作用。如大豆、花生、木豆，通过生物固氮固定的氮素中90%在生殖阶段中进行，而10%在
营养生长过程中进行。奇怪的是，几种豆类的生物固氮提供的氮素仅为其一生所需总氮量的1/4至1/2，其余主要在营养生长阶段从土壤中吸收NO3-或NH4+。不过，多施氮肥并不能增产。原因是植物对氮肥吸收增加反而使生物固氮能力下降。
硝酸盐肥料的影响有几个方面：抑制根瘤菌与根毛的接触，中止侵染丝的形成；根瘤生长缓慢，抑制已成熟根瘤的固氮作用；当增施NO3-和NH4+时，加速根瘤的衰老。
