Der Stickstoffkreislauf ist ein Prozess, bei dem Stickstoff aus der Atmosphäre in eine für Pflanzen und Tiere nutzbare Form umgewandelt wird. Dies geschieht durch die Wirkung von Bakterien und ab dem 20. Jahrhundert durch menschliche Aktivitäten. Wenn Stickstoff in seine nutzbare Form umgewandelt wird, wird er als fixiert bezeichnet, und Pflanzen und Algen bauen den Stickstoff in Aminosäuren, Proteine und Desoxyribonukleinsäure (DNA) ein. Tiere erhalten stickstoffhaltige Verbindungen aus Pflanzen, wodurch der Stickstoffkreislauf für alles Leben auf der Erde unerlässlich ist. Wenn Lebewesen sterben, geben andere Bakterienarten den Stickstoff in diesen Substanzen wieder an die Atmosphäre ab und schließen den Kreislauf.
Stickstoff macht in Form von N2 etwa 80 Prozent der Erdatmosphäre aus. Diese Form von Stickstoff kann weder von Pflanzen noch von den darauf angewiesenen Tieren genutzt werden. Bakterien werden benötigt, um das N2 in Ammoniak (NH3) und Ammoniumionen (NH4+) umzuwandeln. In einem Prozess namens Nitrifikation wandeln Bodenbakterien Ammoniak in das Nitration (NH3) um. Dieser Teil des Stickstoffkreislaufs, der als Stickstofffixierung bekannt ist, ermöglicht es Pflanzen, die Aminosäuren und andere stickstoffhaltige Verbindungen zu produzieren, von denen das gesamte Tierleben abhängt. Durch Blitzeinschläge und einige nicht lebende chemische Prozesse wird jährlich eine sehr geringe Menge an festem Stickstoff erzeugt.
Um den Stickstoffkreislauf zu schließen, wird die organische Substanz abgestorbener Pflanzen und Tiere von einer anderen Bakterienklasse abgebaut. Dieser Vorgang, bei dem der fixierte Stickstoff freigesetzt wird, wird Denitrifikation genannt. Der Stickstoff gelangt in der ursprünglichen Form von N2 oder als Ammoniak wieder in die Atmosphäre.
Aufgrund einer wichtigen wissenschaftlichen Entdeckung ist der Mensch nicht mehr auf den verfügbaren Stickstoff angewiesen, der von Bakterien produziert wird. Dies führte zu synthetischen Düngemitteln auf Stickstoffbasis, auf die in der Landwirtschaft zur Ernährung einer beträchtlichen Zahl der Weltbevölkerung stark zurückgegriffen wird. Auf diese Weise ist der Mensch zu einem wichtigen Teil des Stickstoffkreislaufs geworden. Schätzungen gehen davon aus, dass bis zu 50 Prozent des in der Umwelt vorhandenen fixierten Stickstoffs auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen sind.
Einige Pflanzen und Tiere haben eine besondere Beziehung zu stickstofffixierenden Bakterien. Die Wurzeln einiger Pflanzen, insbesondere Hülsenfrüchte, haben Knötchen an ihren Wurzeln, in denen Bakterien Stickstoff erzeugen, der direkt von der Pflanze verwendet werden kann. Im Gegenzug erhalten die Bakterien organische Stoffe von den Pflanzen, die sie als Nahrung nutzen. Einige Tiere wie Kühe und Büffel beherbergen in ihrem Verdauungstrakt auch stickstofffixierende Bakterien, die eine beträchtliche Menge der stickstoffhaltigen Verbindungen produzieren, die die Tiere benötigen.