豆科植物固氮作用是化学变化，科植物的根瘤菌，还有牧草和其他禾科作物根部的固氮螺旋杆菌、一些原核低等植物—固氮蓝藻、自生固氮菌体内都含有固氮酶，这些酶有固氮作用。这一类属自然固氮的生物固氮。把氮气变为氨气。
首先，根瘤菌中的钼铁红蛋白催化氮气还原为氨气。
接着，氨气与根瘤菌内的酸性物质反应，生成铵盐。
然后，铵盐在根瘤菌内一系列氨基划酶的作用下变成有机胺，例如氨基酸然后，侵染植物根皮层的根瘤菌的一部分有机胺和无机铵释放，被植物利用。
植物固氮取决于是否寄生了固氮菌。
根瘤菌是寄生于豆科植物，此外还有一些固氮菌可以寄生其他植物，像沙棘。
还有一些低等藻类本身就能固氮。