地球上约有一百多种固氮细菌，可以在常温常压下进行固氮作用，有些能独自营生，其它则需与动植物共生。由于多数的农作物，如玉米、小麦、稻米、地瓜、马铃薯等，无法与固氮细菌共生，因此这些农作物自播种至收成，须施加大量的氮肥。然而，这些氮肥对水的溶解度极大，常随雨水流入河川、湖泊、海洋，滋生藻类，造成优养化而劣化水质，也严重地伤害环境生态。
很多生物及化学界专家，对于固氮细菌所拥有的固氮酵素深感兴趣。一方面，努力找出适当的固氮细菌，生产含氮营养物质，帮助农作物生长。另一方面，试图了解固氮酵素的构造与有关的化学反应，期望能找出有效且不用耗费大量能源的工业固氮途径。
一九六六年，首先由厌氧固氮细菌分离到固氮酵素，迄今已发现超过三十个固氮细菌酵素。大部分固氮酵素由两个不同的金属蛋白质构成，各自展现不同的功能；一个负责电子传递，另一个职司受质分子的还原反应。实验证据显示，铁蛋白质负责将电子传给担任受质分子还原反应的金属蛋白质；这类蛋白质有三种可能的组成：含钼及铁的蛋白质；含钒及铁的蛋白质，称为钒铁固氮酵素；或仅单含铁的蛋白质，称为单含铁的固氮酵素。然而大部分生物化学及生物物理的固氮酵素研究，包括其晶体构造解析，却集中在第一种文献上称为钼铁的固氮酵素或简称含钼固氮酵素。
含钼固氮酵素，也由两个不同的金属蛋白质构成：含铁的蛋白质及含钼铁的蛋白质。含铁的蛋白质，分子量约六万，由一个 [4Fe-4S] 金属簇当桥梁，连接两个相同的次级单位；含钼铁蛋白质较大，分子量达二十五万，由四个次级单位（或称 α2β2 四聚体）构成，这蛋白质含两类金属簇：[8Fe-7S] 簇（称Ｐ簇）与含异柠檬酸配位的 [7Fe-X-9S-Mo] 簇（X 原子可能是碳、氮或氧）。虽然，氮气分子的固定与还原反应，详细的过程尚不清楚，一般咸信氮气分子可在铁钼辅助因子上固定，随着Ｐ簇的靠近，借着腺三磷酸水解产生腺二磷酸的过程所得的能量，驱使电子由含铁的蛋白质，单方向地流入含钼铁的蛋白质，而将氮气还原成氨。由于该电子也会与水中的氢离子反应并生成氢，因此含钼固氮酵素会与乙炔反应生成乙烯。
由催化的角度来看，催化反应通常发生在金属上，但是氮气到底是接在铁钼辅助因子中哪一个或数个金属上，至今仍然是个谜。不过，固氮酵素将氮气转换成氨气，需要分成好几个步骤进行，因为氮气中氮原子间的键结是由三个键构成，要一次打断三个键颇为困难，所以应该是一次打断一个键的方式，逐次完成由氮转换成氨。
根据理论计算的结果，从氮气变成氨气是一个可自发的反应过程。但是，要直接从氮气变成氨气，需跨越非常高的活化能（50.9 仟卡／莫耳），一般都是经由金属的催化，一步步地反应。氮气可能先与金属触媒（M）生成 MN2，与氢气反应经 MN2H2 得到 MN2H4，再与氢气生成氨气。目前世界上有很多化学实验室，已经合成出许多 MN2、MN2H2 和 MN2H4 的金属错化物，并证实皆可与氢气生成氨气。因此，随着对固氮酵素的了解，相信将来有机会发展出新的催化剂，来取代目前极耗能源的哈柏法，以大量取得含氮元素的化合物，直接或间接地解决粮食不足的问题。
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