Jest procesem anabolicznym, wymagającym bardzo dużych nakładów energetycznych. Przeprowadzane jest przez niektóre organizmy prokariotyczne, żyjące zarówno samodzielnie (np. glebowe bakterie z rodzaju Azotobacter i Clostridium, a także wiele sinic ze zbiorników wodnych), jak również drobnoustroje żyjące w symbiozie z roślinami wyższymi (np. bakterie brodawkowe roślin motylkowych).
Wiązanie azotu przebiega przy współudziale kompleksu enzymatycznego o nazwie nitrogenaza, zawierającego żelazo i molibden. Metale te uczestniczą w redukcji N2 do NH3. Tworzący się amoniak w postaci NH4+ jest wbudowywany do aminokwasów. Utworzone tak aminokwasy są wykorzystywane przez mikroorganizmy, a także przez rośliny wyższe w przypadku ich symbiozy z bakteriami (wtedy rośliny dostarczają bakteriom szereg potrzebnych w procesie substancji).
Wiązanie azotu atmosferycznego przez drobnoustroje odgrywa ogromną rolę we wzbogacaniu gleby w związki azotowe.