自然固氮主要有兩種方式：
非生物固氮。這是一種通過自然現象實現的過程，例如閃電。在閃電的作用下，空氣中的氮氣分子與氧氣分子發生化學反應，生成氮的氧化物。這些氧化物能溶於雨水或與水發生反應，進而滲入土壤中，為植物提供營養。這種方式雖然常見，但產生的含氮化合物並不多。
生物固氮。這是一種主要通過微生物實現的過程。某些細菌（如豆科植物的根瘤菌）能夠吸收大氣中的氮氣分子，並利用固氮酶將其轉變成氨及銨離子。這些細菌可以與植物形成共生關係，或者獨立存在於土壤中，從而有效地將空氣中的氮氣轉化為對植物可利用的含氮化合物。生物固氮是自然界中氮循環的重要部分，效率遠高於非生物固氮。