固氮酶由鐵鉬蛋白（Fe-Moprotein）和鐵蛋白（Fe-protein）組成。這兩個蛋白單獨存在時都不呈現固氮酶活性，只有兩者聚合構成複合體時才有催化氮還原的功能。鐵鉬蛋白由分子量分別為51kD和60kD的2個α亞基和2個β亞基組成的四聚體（α2β2），分子量約為220～245kD。每分子鐵鉬蛋白含有兩個鉬原子，28個鐵原子。鐵蛋白的分子量在59～73kD之間，由兩個分子量同為30kD的亞基組成（γ2）。鐵蛋白含有4個鐵原子。
在氮還原為NH4+的過程中，固氮酶中的Fe和Mo都發生氧化還原反應，如圖5-20所示。類菌體利用碳水化合物進行呼吸作用產生NADH或NADPH和ATP。已經查明，固氮的天然電子傳遞體（供體）有鐵氧還蛋白、黃素氧還蛋白等。固氮生物體內存在著ATP和二價的金屬離子（如Mg2+）是固氮不可缺少的條件。只有在Mg2+的作用下，ATP才可以與Fe蛋白結合，而且必需有Fe-Mo蛋白的參與才發生ATP水解反應。Fe蛋白將電子傳遞給Fe-Mo蛋白的同時伴隨著ATP水解產生ADP。Fe-Mo蛋白最後將電子傳遞給N2和質子，產生2分子NH3和1分子H2。
固氮酶對氧敏感，其催化反應需在厭氧下進行。除了專性厭氧的生物外，氧對其他固氮生物的固氮酶有損傷作用，但這些生物通過呼吸作用產生固氮必需的ATP又需要氧，所以高效率的固氮作用一般是在微氧下進行的。不同固氮生物避免氧對固氮酶傷害的機制各異。
如具有異形胞的藍藻的固氮功能主要在異形胞中進行，這種細胞外有一層防氧進入的糖脂組成的外膜，缺少水光解放氧的PSⅡ，其中戊糖磷酸途徑的兩種酶活性較低，而超氧物歧化酶和脫氫酶活性都比較強，使異形胞保持了一個微氧環境。