Quá trình liên kết $N_2$ với $H_2$ để hình thành nên $NH_3$ gọi là quá trình cố định nitơ. Trong tự nhiên có hai con đường cố định nitơ phân tử thành dạng nitơ mà cây hấp thụ được là: Con đường hóa học và con đường sinh học.
Con đường hóa học cố định nitơ
Nó là liên kết giữa $N_2$ với $H_2$ diễn ra theo phương thức hóa học (phản ứng hóa học) trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao (tia chớp sấm sét). Lượng $NH_3$ được tạo ra trong sấm sét (tia lữa điện) theo nước mưa rơi xuống và thâm nhập vào đất để cung cấp cho cây. Tuy nhiên lượng ion khoáng nitơ được hình thành theo phương thức này không nhiều.
Con đường sinh học cố định nitơ
Trong tự nhiên thì lượng nitơ cung cấp cho đất từ $N_2$ thông qua con đường cô định nitơ theo phương thức sinh học lớn gấp nhiều lần so với con đường hóa học ở trên. Con đường này diễn ra ngay trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường nhờ vi sinh vật cố định đạm (cố định nitơ). Vi sinh vật cố định nitơ có 2 nhóm là: vi sinh vật cố định nitơ sống tự do trong đất như vi khuẩn lam (Cyanobacteria) và vi sinh vật cố định nitơ sống cộng sinh với thực vật (như cộng sinh với các loài cây họ đậu, bèo hoa dâu,...).
Sở dĩ vi sinh vật trên có khả năng thần kì này là bới nó có thể tạo ra được loại enzim độc nhất vô nhị Nitrôgenaza. Enzim này có khả năng bẻ gãy liên kết ba của nitơ phân tử để liên kết với hiđrô tạo ra $NH_3$ ngay trong điều kiện bình thường (trong môn trường nước, $NH_3$ chuyển thành $NH_4^+$.
Kết luận:
- Trong khí quyển khí $N_2% chiếm khoảng 80%, mặc dù "tắm mình trong biển khí N", phần lớn thực vật vẫn bất lực trong việc sử dụng khí $N_2$ này.
- Trong tự nhiên thì nitơ phân tử được chuyển thành $NH_3$ theo 2 con đường trên. Tuy nhiên, ngày nay con người cũng chủ động sản xuất ra các loại phân đạm từ các nhà máy sản xuất phân bón theo phương thức hóa học.