豆科作物固氮的原理主要依賴於它們與根瘤菌的共生關係。當豆科植物的根部吸附土壤中的根瘤菌後，這些根瘤菌會進入豆科植物根部形成的特殊器官——根瘤中，並在其中將游離態的氮氣轉化成含氮化合物，如銨態氮，供豆科植物吸收利用。這種共生固氮的過程對豆科植物和其他植物都有益處，因為它們可以從中獲得所需的氮素，而豆科植物則通過釋放固定的氮素回饋土壤，從而幫助其他非豆科植物生長。
在根瘤中，存在一種名為豆血紅蛋白的共生血紅蛋白，它在調節根瘤內的氧氣濃度方面發揮著關鍵作用。這種蛋白的含量和組分直接影響根瘤內固氮酶的活性，進而影響固氮效率。此外，豆科植物的皮層細胞含有一種特殊的分子模組，稱為SHR-SCR，它賦予了豆科植物皮層細胞分裂能力，從而促進根瘤的形成和固氮過程。
共生固氮是一個高耗能的生物學過程，它依賴於豆科植物光合作用固定的碳水化合物作為碳源和能量來源。因此，根瘤的固氮能力需要與豆科植物的碳源和能量水平相協調，以確保固氮活動和其他生命過程的碳消耗之間的平衡。在土壤中礦物氮充足的情況下，豆科植物會優先吸收土壤中的氮源，此時共生固氮活動會被抑制。相反，當土壤中的礦物氮缺乏時，根瘤的形成會通過自調節途徑被促進，從而增強固氮能力。