大肠杆菌硝酸盐呼吸作用的生化机制已有非常详细的研究，大肠杆菌进行硝酸盐呼吸作用，一般只能将硝酸根离子还原为亚硝酸根离子，但另一些细菌如反硝化副球菌和斯氏假单胞菌不仅能将硝酸根离子还原为亚硝酸根离子，还能进一步通过亚硝酸盐还原酶将亚硝酸根离子还原为一氧化氮，一氧化氮进一步在一氧化氮还原酶和一氧化二氮还原酶的作用下顺次还原为氧化亚氮和氮气，从亚硝酸根离子还原为氮气的过程被称作反硝化作用。

以大肠杆菌的硝酸盐呼吸作用过程为例，在缺氧环境下，来自还原型辅酶Ⅰ（NADH）的电子通过黄素蛋白和泛醌电子对（Q/QH₂）转移到b型细胞色素，随后硝酸盐还原酶从b型细胞色素获得电子，将硝酸根离子还原为亚硝酸根离子，亚硝酸根离子最后被释放到细胞外。大肠杆菌也能进行有氧呼吸，具体生化过程与硝酸盐呼吸作用有所不同。由于硝酸根离子/亚硝酸根离子电子对的还原电势（+0.43伏）低于氧气/水电子对（+0.82伏），因此硝酸盐呼吸作用泵出的质子动力（H⁺）少于有氧呼吸作用，导致单位底物（有机物）代谢产生的生物能小于有氧呼吸。因此，硝酸盐还原驱动的微生物生长一般低于有氧呼吸驱动的生长。

微生物硝酸盐呼吸是导致土壤氮素损失的重要生物学途径。