在與植物共生的情況下才能固氮或才能有效地固氮，固氮產物氨可直接為共生體提供氮源。共生固氮效率比自生固氮體系高數十倍。主要有根瘤菌屬（Rhizobium）的細菌與豆科植物共生形成的根瘤共生體，弗氏菌屬（Frankia）與非豆科植物共生形成的根瘤共生體；某些藍細菌與植物共生形成的共生體，如念珠藻或魚腥藻與裸子植物蘇鐵共生形成蘇鐵共生體，紅萍與魚腥藻形成的紅萍共生體等。在實驗條件下培養自生固氮菌，培養基中只需加入碳源（如蔗糖、葡萄糖）和少量無機鹽，不需加入氮源，固氮菌可直接利用空氣中的氮（N₂）作為氮素營養；如培養根瘤菌，則需加入氮素營養，因為根瘤菌等共生固氮菌，只有與相應的植物共生時，才能利用分子態氮（N₂）進行固氮作用。