天然固氮是自然狀態下將空氣中游離態的氮元素轉化為含氮化合物的過程，主要通過兩種途徑實現：
生物固氮。自然界中的一些微生物（如豆科植物的根瘤菌、固氮螺旋桿菌、固氮藍藻和自生固氮菌）利用體內的固氮酶，將空氣中的氮氣轉化為氨或其他含氮化合物。
高能固氮。通過如閃電等自然高能過程，使空氣中的氮氣和氧氣在放電條件下反應，生成一氧化氮（NO），進而轉化為其他含氮化合物。
這兩種途徑共同構成了自然固氮的過程，其中生物固氮是主要方式，約占90%，而高能固氮則作為輔助手段，約占10%。這兩種過程共同確保了自然界中氮循環的進行。