生物体氧化碳水化合物时生成二氧化碳，同时释出电子
（CH2O） H2O→CO2 4H 4e-
△Gθ=-47kJ/mole-
固氮反应正好需要让氮气获得电子，使N（0）还原到N（-3）
N2 8H 6e-→2NH4
△Gθ= 27kJ/mol e-
在后一个半反应中，N2每得到一摩尔电子需要27kJ能量，从能量角度看这个半反应难以发生，但如果以上两个半反应相结合，则可得到总自由焓变发生负变化的结果
（CH2O） H2O N2 8H 6e-→CO2 4H 4e- 2NH4
△Gθ=（-47 27）kJ/mol e-
或3（CH2O） 3H2O 2N2 4H →3CO2 4NH4
△Gθ=-120kJ/mol N2
总的反应中释出能量，所以从热力学角度看，反应是容易进行的，微生物也就能由此获取能量。就这样，将氮循环和碳循环联系起来，在一个半循环中释出能量，生成较稳定的化合物；在另一个半循环中获取相当的能量，而生成不太稳定的化合物，整个循环能量得以平衡，而循环得以正常进行。
关于固氮作用的机理，至今还在研究中，以下为对此所作的最一般性的叙述。
前已述及，固氮酶中含有两个大的蛋白质分子。由于生物样品来源不同，人们所能获取的固氮酶其分子量及其中金属的含量也有差异。一般地说，铁钼蛋白中含2个钼原子，24～32个铁原子、24～30个不稳定的硫原子、分子量约220000；而铁蛋白中只含4个铁原子、4个不稳定的硫原子、不含钼原子，分子量约68000。这两种蛋白合并起来才有固氮作用，单独存在时没有活力，且已知，微量元素钼在固氮作用中具有关键性意义。氮与铁钼蛋白中的钼键合，并通过以下步骤得以还原并生成氨：
由此看来，N2还原成NH3不是一个简单过程，而是需要一步一步地克服一个一个的小的能垒才能逐步到达终点。在过程中所需能量通过MgATP水解产生后，再传送到固氮酶：
MgATP
MgADP Pi 能量
其中还发生电子转移，系通过Fe或Mo的氧化态变化而实现的
Fe2 Fe3 e-，Mo4 Mo5 e-
不管是固氮反应所需的能量也好，质子、电子也好，终究说来，它们都源于碳水化合物的氧化。从这一意义上看，我们在考虑问题时，应将碳、氢、氧、硫、磷、镁、铁、钼等元素在生物体内循环与氮元素的循环联贯于一体。此外，从以上叙述也可看出，很多微量元素在生物体中起有不可缺少的作用。
2.5.3生物同化作用
由固氮作用产生的氨可在生物体内进一步转化为氨基酸和蛋白质。我们将这样的过程称作生物同化作用（广义地说，固氮也是一种同化过程）。其间发生的反应可简略地写作：