土壤中的氮素通过矿化作用和硝化作用转变为有效态氮；生物和化学的脱氮过程会使有效态氮素含量减少并且沉积毒物质；黏粒矿物对铵态氮的晶穴固定与有机质对亚硝态氮的化学固定均会使土壤中的有效态氮转化为无效或迟效态；只有植物和微生物对土壤氮素的吸收同化才会使其真正发挥营养功能。
土壤中氮素的转化主要包括：矿化过程、硝化过程、生物脱氮过程、化学脱氮过程、铵态氮的晶穴固定过程、有机质对亚硝态氮的化学固定过程、同化过程。
1.矿化过程
氮素在土壤中的矿化过程主要分为两个阶段，首先，在微生物酶的作用下使土壤中的含氮有机质转化为含氨基的简单有机化合物，可称之为氨基化阶段（氨基化作用），以蛋白质为例，可将这一过程表达为：
接下来，微生物将第一阶段所产生的各种简单氨基化合物分解成氨，可称之为铵化作用，这一作用下由于条件的差异会产生有机酸、醇、醛等简单的中间产物。
在这个过程中如完全矿化，则有机质会被全部分解为无机化合物形态，相较于嫌气条件，好气条件下有机态氮进行矿化过程会更快，并且中间产物会更少。通常参与矿化过程的微生物种类繁多，其均以有机质中的碳元素作为生存能源，属有机营养型微生物，对温度变化敏感，更适应偏酸性的土壤。
2.硝化过程
硝化过程是将矿化过程中第二阶段所产生的氨及第一阶段产生的某些胺、酰胺等，在微生物的作用下转化为硝酸态氨化合物。硝化过程通常包括亚硝化作用和硝化作用，亚硝化作用会先转化出亚硝酸盐，进而硝化作用再将亚硝酸盐转化为硝态氮。在完整的硝化过程中亚硝化作用与硝化作用是相互衔接的，通气良好的情况下，硝化作用的速率会大于亚硝化作用，亚硝化作用速率又会大于铵化作用。因此，在良好的土壤环境中很少出现亚硝酸态氮和铵态氮大量沉积的情况。在生产实践过程中，大量的施用铵肥会对硝化细菌产生毒害作用，进而使亚硝态氮的氧化过程受阻，造成土壤中的亚硝态氮过量沉积，不利于作物的生长，甚至出现死苗现象。
3.生物脱氮过程
在嫌气条件下土壤微生物对硝态氮所产生的生化还原过程，包括反硝化作用与生物脱氮作用。除有机营养型微生物外，部分种类自养型微生物同样可以还原硝态氮。生物脱氮过程以反硝化作用为基础，在嫌气条件下进一步进行生化还原作用，使土壤中的气态氮以N2、N2O或NO的形式向空气中逸散。通常大田中酸性土溢出的气态氮以N2O为主，伴有少量NO，密闭条件下则以N2为主，伴有少量N2O。
4.化学脱氮过程
土壤中的含氮化合物通过单纯的化学反应生成气态氮，主要表现：首先，在酸性条件为5-6.5、温度较高且较为干燥的土壤环境中氨态氮和亚硝态氮同时大量存在，进而产生的双分解作用，通常随着这种作用的进行，其分解速率不断增快；其次，亚硝态氮和氨基化合物相互之间进行的氧化还原反应，可称之为范斯莱克作用，通常在极酸的土壤环境中才会产生这种作用，在一般土壤中很少出现；第三，亚硝态氮的分解，通常在酸性土壤环境中，亚硝态氮呈现HNO2的形式，会产生自动分解作用，分解速率随着酸性的增强而增加，但由此产生的NO大部分仍能被土壤再次吸收或在土壤中氧化成NO2，溶解于水中从而形成硝态氮；最后，土壤中的铵态氮在碱性条件下会以NH3的形态直接从土壤表面挥发。
5.铵态氮的晶穴固定过程
铵态氮的离子直径与2:1型的黏粒矿物晶架表面空穴的大小相近，因此很容易陷入晶穴中，从而变成固定态铵，从而失去它对植物的有效性。根据固定性铵离子的含量水平及其它交换离子的种类和数量可通过干湿交替的方法来释放固定铵。
6.有机质对亚硝态氮的化学固定过程
土壤有机质中的木素类物质及其衍生物、腐殖质与亚硝酸产生反应，从而使亚硝态氮固定在有机质中，亚硝态氮的这种固定过程通常发生在微酸性土壤环境中，在实践中大量的使用尿素或氮肥，使亚硝态氮在土壤中更易沉积，因此，对此种化学过程的调控显得更为重要。
7.同化过程
矿化过程中产生的铵态氮、硝态氮及氨基态氮，通过微生物和植物的吸收同化转化为有机态氮，在此过程中微生物与植物之间存在一定的竞争，但却更有利于土壤中氮素的沉积与循环。