固氮微生物是一類能夠將空氣中游離態的氮素直接轉變為含氮化合物的微生物。它們通過這一生命活動，不僅為自身提供生長發育所需的氮源，還能將部分固定的氮素以無機狀態或簡單的有機氮化物的形式分泌到體外，供植物吸收利用。固氮微生物可以分為自生固氮微生物和共生固氮微生物，後者如根瘤菌與高等植物共生時才能固氮。此外，固氮微生物還包括光合固氮微生物、化能自養固氮微生物和異養固氮微生物，它們分別以不同的方式利用氮源。
固氮微生物肥料是利用這些微生物的固氮作用製成的，能夠增加土壤的氮含量並促進糧食增產，是一種環境友好型的生物肥料。與傳統的氮肥相比，固氮微生物肥料具有污染小、效率高等優勢。自生固氮微生物除了固氮外，還能溶解磷酸鹽、含鉀矽酸鹽，活化有效磷、鉀，改善土壤供磷、供鉀能力，儘管固氮效率不高，但對促進農作物增產仍有一定效果。
大氣中90%以上的分子態氮是通過固氮微生物的作用被還原為氨的。這些微生物的細胞內都具有固氮酶，該酶在厭氧條件下才能催化反應。固氮作用可以分為自生固氮、共生固氮或聯合固氮。已知具有固氮作用的微生物約有50個屬，包括細菌、放線菌和藍細菌（即藍藻），它們的生活方式和固氮作用類型有較大區別。