硝化作用由俄国微生物学家S.N.维诺格拉茨基^[注]在1890年通过筛选得到的硝化细菌纯培养物证实发现。主要反应过程如下：

…（1）…（2）

…（3）

根据微生物利用碳源的不同，硝化作用分为自养硝化和异养硝化。自养硝化指微生物以二氧化碳、碳酸或重碳酸等无机碳为碳源，通过氧化氨或亚硝酸获得还原二氧化碳和生长所需的能量。自养硝化分为两个步骤，即氨氧化^[注]和亚硝酸氧化过程^[注]，前者为硝化作用的限速步骤。一直以来这两步反应被认为是由两类不同的微生物执行完成，包括催化氨氧化过程的氨氧化细菌和氨氧化古菌，以及催化第二步反应的亚硝酸盐氧化细菌。氨氧化细菌主要由亚硝化单胞菌群（Nitrosomonas）和亚硝化螺菌群（Nitrosospira）组成。氨氧化古菌属于古菌界奇古菌门（Thaumarchaea）。亚硝酸氧化细菌主要包括硝化螺菌属（Nitrospira）、硝化杆菌属（Nitrobacter）、硝化球菌属（Nitrococcus）和硝化刺菌属（Nitrospina）。直到2015年，荷兰和奥地利科学家在同一期《自然》杂志上分别报道了他们的独立研究结果，发现硝化作用可以被一种微生物（硝化螺菌）催化完成（式3），称为全程硝化作用或完全氨氧化作用^[注]。

异养硝化指在好氧条件下，自然界中的一些真菌、细菌和放线菌等异养微生物以有机碳作为碳源和能源，将还原态氮转化为氧化态氮的过程。与自养硝化过程不同，异养硝化对氨的氧化与细胞的生长无关。异养硝化微生物的种类非常多，可以利用的基质有铵、胺、酰胺、N-烷基羟胺、肟、氧肟酸及芳香硝基化合物等，范围广泛，这使得研究异养硝化机理变得困难。已被认可的异养硝化途径有两类：①具有与氨氧化微生物非常相似的氨单加氧酶/羟胺氧化酶的细菌所参与的异养硝化过程。②硝化过程中会有有机质矿化并释放碱性物质，由真菌参与完成。异养硝化过程与自养硝化过程相比，常常被认为是可以忽略的，认为只有在碳氮比超过微生物正常生长所必需的氮量时，才会发生异养硝化。虽然异养硝化菌的氧化能力远不如自养氨氧化微生物，但由于数量多，尤其是在适合真菌生长的低pH酸性土壤中，异养硝化可能会超过自养硝化作用。

硝化作用主要受铵离子浓度、土壤pH、通气性、温度和有机质等因子影响。中性或碱性土壤最适宜硝化作用的进行，最适pH为6.6～8.8，但在酸性或极酸性土壤中也有硝化作用。处于湿润状态的土壤（其含水量为最大持水量的60%左右）适宜于硝化作用的进行，当土壤中含氧量相对为大气中氧浓度的40%～50%时，硝化作用往往最旺盛。有利于硝化作用的温度为4～40℃。

硝化作用终产物硝态氮是植物易利用的养分，但在有机质含量高、通气不良的土壤中，所形成的硝态氮极易因反硝化作用产生一系列氮氧化气体和氮气，造成氮损失。硝态氮还易于淋失，如进入地下水或饮用水中，不仅会引起水体“富营养化”现象，且当其含量超过一定浓度时，人畜饮用后还会导致“高铁血红蛋白症”，影响健康。利用硝化-反硝化联合脱氮，是净化含氮污水及城市废水脱氮的主要过程。添加硝化抑制剂可阻止或减缓硝化作用，减少氮氧化合物的损失和保护生态环境。