대기 중의 유리(遊離)질소를 비롯해 질산과 암모니아 등 구조가 간단한 화합물에서 요소·단백질·핵산 등 구조가 복잡한 것까지 질소를 포함하는 자연계의 다양한 물질이 서로 관련을 갖고 변천해, 결과적으로는 질소 자체가 순환하는 것처럼 보이는 현상. 자연계의 질소는 우선 생물체가 영위하는 물질대사, 즉 질소대사에 의해 생물계와 무생물계를 순환하는데 그 중 큰 역할을 담당하는 것은 질소고정(固定)이다.

질소고정에는 생물적 질소고정과 비생물적 질소고정이 있고, 후자에는 번개의 공중방전(放電)이나 공중질소고정 등이 있다.

생물적 질소고정은 질소고정세균을 비롯해 일부의 조류(藻類) 또는 뿌리혹박테리아 등에 의해 이루어진다.

대기 중의 유리질소를 환원시켜 암모니아로 만들고, 글루탐산탈수소효소의 작용으로 이것을 α-케토글루타르산과 반응시켜 글루탐산을 만들고, 아미노기의 전이(轉移)반응에 의해 다른 아미노산을 합성, 최종적으로 단백질을 합성한다.

생물이 죽으면 부패세균에 의해 시체가 분해되어 아미노산은 탈(脫)아미노반응을 받아 암모니아가 된다.

이러한 암모니아가 풍부한 토양일수록 비옥하다.

질소고정세균인 니트로소모나스는 암모니아를 아질산으로 산화시키며, 니트로박터는 아질산을 질산으로 산화시킨다.

고등식물은 대기 중의 질소를 고정시킬 수 없기 때문에, 그 생체성분의 질소원은 토양 속의 질산이온에 의존한다.

뿌리로부터 질산이온을 흡수, 식물체내의 효소군(酵素群)에 의해 질산동화가 이루어지고 그때 생긴 암모니아를 출발점으로 해 질소고정세균 등과 같은 과정을 거쳐 단백질을 합성한다.

이에 반해 동물에서는 무기질소화합물을 이용하지 못하기 때문에, 식물이 합성한 유기질소화합물을 이용, 고유한 단백질을 합성한다.

대장균이나 고초균(枯草菌)은 호흡의 전자수용체(電子受容體)로 산소 대신 질산을 사용해 암모니아로 환원하는데, 이것을 질산호흡이라 한다.

탈질소세균도 질산호흡을 하는 것으로 생각되며, 아질산을 유리질소로 환원해 대기 속에 방출한다.