Zusammen mit anderen Elementen (Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, usw.) bildet Stickstoff einen Bestandteil der Aminosäuren zum Proteinaufbau. Stickstoff ist ein wichtiges Element zur Zellbildung und Photosynthese (Chlorophyll). Er trägt maßgeblich zum Pflanzenwachstum bei. Er beeinflusst die Qualität, vor allem den Proteingehalt der Pflanzen.

Stickstoff wird von der Pflanze hauptsächlich als Nitrat (NO₃^-) aus der Bodenlösung aufgenommen. Organischer Stickstoff, Ammoniak- und Harnstoff werden im Boden durch mikrobielle und physikalisch-chemische Prozesse langsam in Nitrat umgewandelt. Durch Aufnahme von Wasser aus dem Boden als Ausgleich für Verdunstungsverluste wird Nitrat von der Pflanze passiv absorbiert, welches zu den Blättern aufsteigt, wo es in eine organische Form umgewandelt und dann in der Pflanze verteilt wird.

Stickstoff ist im allgemeinen der erste Begrenzungsfaktor für das Pflanzenwachstum, mit Ausnahme der Hülsenfrüchtler, die als einzige botanische Pflanzenfamilie den Stickstoff direkt aus der Luft aufnehmen können. Dies geschieht in Symbiose mit Bakterien.

Die Menge und die Qualität des Humus sowie die Versorgung mit frischem organischem Material sind entscheidend für die natürliche Versorgung der Pflanzen mit Stickstoff. Die Mineralisierung des organisch gebundenen Stickstoffs ist von der biologischen Aktivität im Boden abhängig und diese unter anderem vom pH-Wert, Durchlüftung, Feuchtigkeit und Temperatur es Bodens. Im Vergleich zum organischen Stickstoff ist der Anteil des mineralischen Stickstoffs im Boden sehr gering. In gemäßigtem Klima werden 1-2 % der organischen Reserven in die für die Pflanze verfügbare Mineralform umgewandelt.

Stickstoffdüngemittel enthalten Ammonium, Nitrat oder Harnstoff. Während Nitrat (NO₃^-) und Ammonium (NH₄⁺) nach der Applikation sofort pflanzenverfügbar sind, muss Harnstoff erst zu NH₄ umgewandelt werden (Hydrolyse, 7). 

Nitrat wird von den Pflanzen bevorzugt aufgenommen, da es wasserlöslich und sofort pflanzenverfügbar ist. Es erleichtert die Aufnahme von Kationen wie K⁺, Ca²⁺ und Mg²⁺. Ein Teil des Ammoniums wird von den Pflanzen direkt aufgenommen und abhängig von den Bodeneigenschaften, wird es in NO₃^- umgewandelt (Nitrifikation, 4).

Denitrifikation ist der Prozess in dem NO₃^- zu Nitrit (NO₂^2-), Stickstoffoxid (NO), Lachgas (N₂O) und Stickstoff (N₂) reduziert wird. Diese Reaktion wird durch anaerobe Bakterien bewerkstelligt, und ist daher in gut belüfteten Ackerböden eher selten. Nitrat ist als Anion relativ mobil im Boden und kann bei starken Regenfällen ausgewaschen werden (Auswaschung, 9). Daher ist es wichtig, höhere Applikationsmengen auf mehrere Gaben aufzuteilen und dann zu düngen, wenn der Bedarf der Pflanzen hoch ist.

Die Mikroorganismen im Boden konsumieren bevorzugt NH₄⁺ aber auch NO₃^- (Immobilisierung, 6). Kohlenstoffreiche aber stickstoffarme Ernterückstände (z.B. Stroh) fördern die Immobilisierung. Dieser Stickstoff ist jedoch nicht verloren, sondern wird wieder pflanzenverfügbar wenn die Biomasse inklusive der mikrobiellen Biomasse zersetzt wird (Mineralisation, 6). 

Nach der Applikation zerfällt Harnstoff ((NH₂)₂CO) in zwei Moleküle Ammoniak (NH₃) und ein Molekül Kohlendioxid (CO₂). Das gasförmige NH₃ kann in die Luft entweichen (Verflüchtigung, 8). Die Reaktion von NH₃ mit Wasser (H₂0) zu NH₄⁺ setzt ein Hydroxidion (OH^-) frei und erhöht daher kurzzeitig den pH-Wert des Bodens. Der gasförmige Verlust von NH₃ ist besonders hoch auf alkalischen Böden, kann durch diesen kurzzeitigen Anstieg des pH-Wertes aber auch auf sauren Böden sehr hoch sein. 

Obwohl die Ammoniaksynthese bereits im Jahr 1909 zum ersten Mal gelungen war, hat sie erst nach dem zweiten Weltkrieg an Bedeutung gewonnen. Heute wird Ammonium, der Ausgangsstoff für alle Stickstoffdünger, über das Haber-Bosch Verfahren gewonnen. Dieser Prozess hatte einen enormen Einfluss auf die Menschheit und würde oft als die wichtigste Erfindung des 20. Jahrhunderts bezeichnet. Beide Erfinder, Fritz Haber und Carl Bosch, haben den Nobelpreis erhalten. 

Der Prozess verwandelt atmosphärischen Stickstoff durch eine Reaktion mit Wasserstoff (H₂) in Ammoniak (NH₃) um. Der Wasserstoff stammt hauptsächlich von Methan (CH₄) und die Synthese ist daher ein energieaufwendiger Prozess. 

Ammoniumnitrat entsteht durch eine Säure-Base-Reaktion von Ammonium mit Salpetersäure (HNO₃). Das Ergebnis ist ein kristallines weißes Salz mit hoher Löslichkeit in Wasser. Kalkammonsalpeter (NAC) ist das Produkt aus einer Reaktion von Kalksalpeter (Calciumnitrat, Ca(NO₃)₂) mit Ammonium. Harnstoff wird aus Ammonium und Kohlendioxid (CO₂) gewonnen und AHL ist eine Kombination aus Harnstoff und Ammoniumnitrat. Die Löslichkeit der beiden Produkte gemeinsam ist viel Höher als die der einzelnen Komponenten. Daher wird AHL als flüssige Lösung in der Landwirtschaft verwendet. 

Die Bestimmung des mineralischen Stickstoffs im Boden durch eine Bodenanalyse zum Winterende (Anfang der Vegetationsperiode) ermöglicht ein Abschätzen der Stickstoffverfügbarkeit für die Pflanzen während der Vegetationsperiode. Während der Vegetationsperiode hilft der N-Pilot® bei der Dosierung der optimalen Stockstoffdüngung.

Stickstoff kommt im Boden hauptsächlich in organischer Form vor, und der Gehalt an organischem Material im Boden ist der Hauptindikator für das Mineralisierungspotenzial des Stickstoffs. Mineralisierungs-Modellierungstools helfen dabei, die Dynamik der Stickstoffversorgung abzuschätzen.

Sandige Böden sind anfällig für eine Stickstoffauswaschung.

Niederschläge im Winter und die Häufigkeit und Intensität der Niederschläge bestimmen das Risiko der Stickstoffauswaschung. Sowohl Trockenheit als auch ein Zuviel an Niederschlag können die Stickstoffversorgung negativ beeinflussen, entweder durch eine geringere Aufnahme durch die Pflanze oder durch eine geringere Mineralisierung organischer Substanz. Ein erfolgreiche Stickstoffdüngung hängt stark von einer ausreichenden Wassermenge nach der Ausbringung ab; generell werden 10-15 mm Wasser benötigt, damit sich der granulierte Dünger vollständig auflöst. Dabei ist besonders auf die gasförmige Verflüchtigung von Ammoniak zu achten.

In sauren Böden ist die Aktivität nitrierender Bakterien verlangsamt, wodurch die Mineralisierung reduziert wird.