总反应式 N2+6H^+nATP+6e——→2NH3+nADP+nPi

自生固氮菌的固氮方式和其它固氮生物大体相同，由固氮酶系统循序催化进行，ATP一定要与镁（Mg）结合而形成Mg－ATP复合物才能起作用。

固氧作用中电子的传递过程

氮酶还原酶与Mg－ATP结合后，被铁氧还蛋白或黄素氧还蛋白或Na2S2O4还原并与酶暂时地结合，以进行电子转移。氮酶还原酶每次转移一个e给氮酶。伴随着两个Mg－ATP的水解。在催化过程中，氮酶还原酶必需反复氧化还原，以保证有足够的电子转移给氨酶，还有氮分子。

固氮酶除能将分子氮还原为氨外，还能催化一些具有N—N、N=O、C≡N以及C≡C键化合物的还原，如将乙炔（C2H2）还原为甲烷（CH4）等。用乙炔还原法测定固氮酶活性，就是根据固氮酶作用底物的多样性。固氮酶还原C2H2形成C2H4，能够用气相层析仪快速测定，简便而灵敏。这一固氮酶活性的间接测定法已被广泛应用。

许多化合物是固氮酶的抑制剂，当其他废物存在时，都可与分子氮竞争电子。氢是固氮作用的专一性抑制剂，但不抑制其他底物的还原作用，也不抑制ATP的水解。另一方面，氢也是固氮过程中的产物。固氮酶在还原氮的同时放氢，这对固氮作用是不利的，因为消耗了ATP和电子。有些固氮细菌具有氢酶催化氢分子为质子，H22H++2e，使放出的电子被再利用，从而节约了能源。

固氮酶对氧敏感，氮的还原过程是在无氧条件下进行的。自生固氮菌对固氮酶的防氧保护机制，能够在进行有氧生活的同时固氮。保持很强的呼吸活性，借以维持细胞内固氮酶周围的低氧浓度；另一方面，它的细胞中含有一种Fe－S蛋白，与固氮酶结合时增加后者的稳定性。此外，自生固氮菌在胞壁外被有荚膜或粘质，有阻碍氧向细胞内扩散的作用。

氨是固氮作用的产物，但在培养固氮菌时加铵盐，则固氮作用受到抑制，这时固氮菌利用现成的化合态氮进行生长。氨不是抑制固氮酶本身的活性，而是阻碍固氮酶合成基因的表达。整个作用机制很复杂。固氮菌具备一套酶系统，能有效地将氨转化为氨基酸，进而同化为蛋白质。氨基酸的合成是通过谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）的偶联作用，同时有各种氨基转移酶参加。所以自生固氮菌在固氮过程中，不会在细胞中积累氨，也很少有氨分泌到细胞外面来。