2005年，M.科内克^[注]等在《自然》（Nature）期刊上发表了一种具有氨氧化功能的古菌，即氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea; AOA）。早在2000年就有这种硝化作用古菌的报道，后来有研究者发现了具有这种功能的几个新种及其更高的分类单元。但由于这些新的分类单元有的数据有限，按《国际细菌命名法规》的规则将这类分离株归入暂定名称（candidatus）。随之，有相关分类单元名称虽正式发表（有效发表），但未合格化，所以未被国际认可。直至2014年，M.施蒂格迈尔^[注]等建立硝化古菌新属、新种，即亚硝化古球菌属（Nitrososphaera），维也纳亚硝化古球菌（N. viennensis）。同时他们也建立了高级的新分类单元，即亚硝化古球菌科（Nitrososphaeraceae）、亚硝化古球菌目（Nitrososphaerales）、亚硝化古球菌纲（Nitrososphaeria），隶属于古菌域（Archaea）奇古菌门（Thaumarchaeota）。

就形态而言，硝化细菌有球菌、球杆菌、杆菌和螺菌（或螺旋菌）。按以前的细菌分类系统，硝化细菌主要是硝化杆菌科（Nitrobacteriaceae）的成员。《伯杰氏古菌和细菌系统学手册》（第三版）将详细描述的硝化细菌归属于2域、4门、6纲、7目、10科和11属，即亚硝化古球菌属（Nitrososphaera）、硝酸盐还原菌属（Nitratireductor）、硝酸盐柳叶刀菌属（Nitrolancea）、硝化杆菌属（Nitrobacter）、硝化螺菌属（Nitrospira）、亚硝化叶菌属（Nitrosolobus）、亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）、亚硝化螺菌属（Nitrosospira）、硝化刺菌属（Nitrospina）、亚硝化球菌属（Nitrosococcus）和硝化球菌属（Nitrococcus）。

就代谢方式而言，硝化细菌为自养菌。它们广泛存在于自然界中，包括土壤、湖泊及其底泥、海洋等，在生物圈氮循环过程中发挥着重要作用。通过硝化作用将氨氮转化为亚硝酸盐，再进一步使亚硝酸盐转化为硝酸盐，而氨氧化是硝化作用的限速反应。硝化速率直接影响污水处理系统的硝化效果和脱氮效率。亚硝化（氨氧化）和硝化（亚硝酸氧化）过程分别由两类化能的亚硝化与硝化的细菌和古菌完成。

除上述专性化能自养微生物外，有些异养微生物也能进行硝化作用。如恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）、脱氮副球菌（Paracoccus denitrificans）和粪产碱杆菌（Alcaligenes faecalis）等。大量的实验证据表明酸性土壤（特别是酸性森林土壤）中主要的硝化作用承担者是异养微生物，而自养硝化细菌控制农业土壤中的硝化作用。

此外还发现了厌氧氨氧化的现象，并证明是由一些厌氧或兼性厌氧微生物在厌氧条件下完成的。这些微生物以硝酸盐（NO₃^-）或亚硝酸盐（NO₂^-）为电子受体氧化氨获得生长所需能量，生长非常缓慢。虽然研究人员应用各种方法，但到2021年8月为止仍未能分离获得厌氧氨氧化的纯培养物。