Stickstoffatome, welche in allen Proteinen und der DNA vorkommen, werden zwischen abiotischen und biotischen Komponenten des Ökosystems recycelt. Die primäre Form des Stickstoffs auf der Erde ist jedoch Stickstoffgas, das von den meisten Tieren und Pflanzen nicht genutzt werden kann. Daher muss Stickstoffgas zunächst von stickstofffixierenden Bakterien in eine nutzbare Form umgewandelt werden, bevor es durch andere lebende Organismen zirkulieren kann. Die Verwendung von stickstoffhaltigen Düngemitteln und tierischen Abfallprodukten in der Landwirtschaft beeinflusst den natürlichen Stickstoffkreislauf stark.
Rund 78% der Luft die wir atmen besteht aus Stickstoffgas. Jedoch sind nur wenige Organismen in der Lage, es in der N2 Form zu nutzen. Stickstoff ist in essentielle Moleküle, wie Proteine und DNA in allen Organismen enthalten. Da die meisten Organismen nicht in der Lage sind, den atmosphärischen Stickstoff zu verwerten, verwenden sie die Nebenprodukte der stickstofffixierenden und nitrifizierenden Prokaryonten. Die Stickstofffixierung wandelt Stickstoffgas (N2) in Ammoniak (NH3) um, während die Nitrifikation NH3 in Nitrit (NO2–) und Nitrat (NO3–) umwandelt. Pflanzen können Ammoniak und Nitrat direkt nutzen und pflanzenfressende Organismen nehmen Stickstoff durch die Aufnahme von Pflanzen auf. Wenn diese Organismen sterben, wandeln die Bakterien im Boden den organischen Stickstoff in Ammoniak um. Diesen Prozess bezeichnet man als Ammonifikation. Durch Denitrifikation können aerobe Bakterien dann Ammoniak in Stickstoffgas umwandeln, das wieder in die Atmosphäre freigesetzt wird, wodurch der Kreislauf abgeschlossen wird.
Das primäre Reservoir für die langfristige Stickstoffspeicherung findet als Stickstoffgas in der Atmosphäre statt. Es gibt jedoch auch andere, kleinere Stickstoffspeicher im Ökosystem. Stickstoff kann über relativ lange Zeiträume in Sümpfen, Meeressedimenten und Sedimentgestein gespeichert werden. Da Stickstoffverbindungen jedoch sehr gut wasserlöslich sind, kann bei der Verwitterung von Sedimentgestein Stickstoff wieder in das Ökosystem freigesetzt werden.
Da Stickstoff in der natürlichen Umgebung oft ein limitierender Faktor für das Pflanzenwachstum ist, behandeln Landwirte den Boden mit Stickstoff als Dünger, um den landwirtschaftlichen Ertrag zu erhöhen. Der Überfluss aus der Landwirtschaft in aquatische Ökosysteme kann zu Eutrophierung und einem unnatürlich schnellem Wachstum von toxischen Algenarten führen. Die Zucht einer großen Zahl von Tieren kann auch die Menge der Stickstoffabfällen im Boden und in lokalen Wasserquellen drastisch erhöhen.
