تثبیت نیتروژن یک فرایند اختلاط نیترژن اتمسفری همراه با عناصر دیگر برای تشکیل دادن ترکیبات سودمند می‌باشد. تنها چند روش وجود دارد که نیتروژن که تقریبا خنثی است، بتواند با عناصر دیگر ترکیب شود. نیتروژن برای زندگی لازم است و به این دلیل که اکثر ارگانیسم‌ها نمیتوانند از عنصر نیتروژنی که با عناصر دیگر ترکیب نشده است استفاده کنند، تثبیت نیتروژن برای ادامه حیات بر روی زندگی بسیار مهم است. نیتروژن اصلاح شده یا ترکیب شده، همچنین برای تولید بسیاری از مواد ضروری است، که شامل مواد منفجره و کودهای تجاری می‌شوند.
در طبیعت، نیتروژن با برخی از میکرو-ارگانیسم‌ها تثبیت می‌شود و این عمل در اثر رعد و برق صورت می‌گیرد. این تثبیت طبیعی نقشی اساسی در چرخه نیتروژن ایفا می‌کند. در قرن بیستم، انسان‌ها یاد گرفتند که نیتروژن را در مقدار زیاد تثبیت کنند تا تثبیت طبیعی نیتروژن را تکمیل کنند. فرایندهای سنتزی تثبیت نیتروژن شامل فرایند چرخه‌ای الکتریکی، فرایند سیانامید، و فرایند هابر می‌شود.
تثبیت طبیعی نیتروژن
میکرو ارگانیسم‌ها
در یک روش که هنوز کاملا فهمیده نشده است، یک باکتری تثبیت کننده نیتروژن و خزه از گاز نیتروژن استفاده می‌کنند و ترکیبات آمونیوم تولید می‌کنند. این ترکیبات توسط زمین جذب می‌شوند.
دو گروه اصلی از میکروارگانیسم‌ها هستند که تثبیت نیتروژن را انجام می‌دهند. از بین این دو گروه گروهی که از ارگانیسم‌های موجود در خاک و آب – گونه‌های محدودی از باکتری‌ها (عمدتا آزوباکتری‌های تجزیه پذیر و دوکسانان) – و بعضی خزه‌های سبز-آبی تشکیل شده معمول‌تر است.

گروه دوم، که شامل باکتری ریزوبیوم (ریشه زی) تجزیه پذیر می‌شوند، در گیاهان زندگی می‌کنند، که عمدتا گیاه هستند مانند دانه‌ها، شبدر و یونجه. این باکتری سبب می‌شود که ریشه‌های گیاهان تشکیل بر‌آمدگی یا غده ریشه‌ای دهند که در این غده ارگانیسم‌ها زندگی می‌کنند. گیاه باکتری را با غذا تامین می‌کند. در عوض، باکتری ترکیبات آمونیوم ترشح می‌کند که جذب شده و توسط بنشن و گیاهان دیگری که در همان خاک در حال رشد هستند استفاده می‌شود.
رعد و برق نقش کوچکی در تثبیت نیتروژن اتمسفری دارد. دمای زیاد رعد و برق سبب می‌شود که نیتروژن با اکسیژن ترکیب شود و تشکیل نیتروژن اکسید دهد. اکسید با رطوبت هوا ترکیب می‌‌شود. نیتروژن تثبیت شده توسط باران به زمین می‌رسد، جایی که به صورت نیترات توسط گیاهان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تثبیت سنتزی نیتروژن

فرایند هابر، یا فرایند هابر – بوش. در این فرایند، نیتروژن گرما داده شده (از هوا) و هیدروژن تحت فشار بسیار بالا در یک مخزن مخلوط شده و واکنش می‌دهند. مخزن شامل یک کاتالیست می‌شود (معمولا آهن همراه با اکسید آلمینیوم و پتاسیم)، که سبب تسریع واکنش می‌شود. فرایند هابر گسترده‌ترین فرایند مورد استفاده برای تولید آمونیای صنعتی می‌باشد. فریتز هابر (Fritz Haber)، شیمیدان آلمانی، در دهه اول قرن 20 این فرایند را تولید کرد. کارل بوش (Karl Bosch)، یک شیمیدان آلمانی دیگر این فرایند را بصورت صنعتی مورد استفاده قرار داد.
فرایند چرخه‌ای الکتریکی
در این فرایند یک چرخه الکتریکی نیرومند در هوا تنظیم می‌شود، که سبب می‌شود نیتروژن و اکسیژن ترکیب شوند و تشکیل نیتروژن اکسید دهند. هوای شامل اکسید سپس به درون آب فرستاده می‌شود، تا با اکسید مخلوط شود و تشکیل اسید نیتریک دهد. فرایند چرخه‌ای الکتریکی اولین فرایند سنتزی تثبیت نیتروژن، توسط لرد ریلیق (Lord Rayleigh) در 1895 تولید شد.
فرایند سیانامید
در فرایند سیانامید، کلسیم کاربید – تولید شده از آهک، ذغال کک، و هوا – بصورت پودر در یک جو خالص از نیتروژن حرارت داده می‌شود. این فرایند تولید کلسیم سیانامید می‌کند، که می‌تواند بعدا برای تولید آمونیا استفاده شود.