Phân bón là "chất dinh dưỡng" do con người bổ sung cho cây trồng. Trong phân bón chứa nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho cây. Các chất dinh dưỡng chính trong phân là: đạm (N), lân (P) và kali (K), gọi là nhóm nguyên tố đa lượng. Ngoài các chất trên, còn có các nhóm nguyên tố vi lượng... Phân bón được chia làm 3 nhóm chính: phân hữu cơ, phân hóa học (phân vô cơ) và phân vi sinh, với sự khác biệt lớn giữa chúng là về nguồn gốc chứ không phải về thành phần dinh dưỡng. Các loại phân bón hữu cơ và một số loại phân bón khai thác vô cơ đã được sử dụng trong nhiều thế kỉ, trong khi các loại phân bón hoá học tổng hợp vô cơ chỉ được phát triển mạnh từ thời cách mạng công nghiệp. Việc hiểu biết và sử dụng tốt các loại phân bón là nhân tố quan trọng của cuộc Cách mạng Nông nghiệp Anh và cuộc Cách mạng xanh ở thế kỉ XX. Các loại phân bón thường cung cấp theo các thành phần tỉ lệ khác nhau: Các chất dinh dưỡng được tiêu thụ với số lượng lớn và hiện diện trong mô cây với các số lượng từ 0.2% đến 4.0% (theo cơ sở trọng lượng khô). Các vi chất dinh dưỡng được tiêu thụ với số lượng ít và hiện diện trong mô cây với các số lượng được đo đạc là vài phần triệu (ppm), trong khoảng từ 5 tới 200 ppm, hay chưa tới 0.02% trọng lượng khô. Sự hiểu biết hiện đại về dinh dưỡng cây trồng bắt đầu từ thế kỉ XIX cùng công việc của Justus von Liebig và những người khác. Tuy nhiên, việc quản lý độ phì nhiêu đất đã là một vấn đề được các nông dân quan tâm từ hàng nghìn năm. Phân bón đa phần được chia thành "phân bón hữu cơ" (gồm thành phần hữu cơ tăng cường—cây trồng hay động vật), hay "phân bón vô cơ" (gồm các hoá chất và/hay khoáng chất tổng hợp). Phân bón vô cơ thường được tổng hợp bằng quá trình Haber-Bosch, tạo ra amonia như sản phẩm cuối cùng. Amonia này được dùng như một nguyên liệu cho các phân bón nitơ khác, như anhydrous ammonium nitrat và ure. Các sản phẩm cô đặc này có thể được hoà tan bằng nước để hình thành nên một loại phân bón lỏng cô đặc (ví dụ UAN). Amonia có thể kết hợp với đá phosphate và phân bón kali trong quá trình Odda để sản xuất "phân bón hợp chất". Việc sử dụng các loại phân bón nitơ tổng hợp đã tăng ổn định trong 50 năm qua, tăng gấp 20 lần lên mức tiêu thụ hiện tại 1 tỉ tấn nitơ mỗi năm. Việc sử dụng các loại phân bón phosphate cũng đã tăng từ 9 triệu tấn mỗi năm năm 1960 lên 40 triệu tấn mỗi năm năm 2000. Một vụ ngô với năng suất 6-9 tấn thu hoạch mỗi hécta cần 30–50 kg phân bón phosphate, đậu tương cần 20–25 kg mỗi hécta. Yara International là nhà sản xuất phân bón nitơ lớn nhất thế giới. Các loại phân bón tổng hợp thường để sử dụng trên các cánh đồng trồng ngô, tiếp theo là lúa mạch, lúa miến, cải dầu, đậu tương và hướng dương. Một nghiên cứu đã cho thấy việc sử dụng phân bón nitơ cho cây trồng phủ đất không theo mùa có thể làm tăng biomass (và do đó là giá trị phân bón xanh) của các loại cây đó, trong khi có một hiệu ứng ích lợi trên các mức độ nitơ cho cây trồng chính được trồng vào mùa hè. Nhiều loại phân bón vô cơ không thay thế các vi chất khoáng trong đất, vốn dần bị cạn kiệt theo mùa màng. Sự cạn kiệt này đã được liên kết với các nghiên cứu cho thấy một sự sụt giảm mạnh (lên tới 75%) trong số lượng các khoáng chất đó trong quả và rau. Tuy nhiên, một cuộc điều tra 55 nghiên cứu khoa học gần đây kết luận "không có bằng chứng về một sự khác biệt trong chất lượng chất dinh dưỡng giữa các thực phẩm chế biến hữu cơ và quy ước" Trái lại, một cuộc nghiên cứu dài hạn do Liên minh châu Âu tài trợ thấy rằng sữa được sản xuất theo cách hữu cơ có mức độ các chất chống oxy hoá (như carotenoids và các acid alpha-linoleic) cao hơn những loại sữa được sản xuất thông thường. Tại miền Tây Úc những thiếu hụt kẽm, đồng, mangan, sắt và molypden đã được xác định là nguyên nhân giới hạn sự phát triển của mùa màng và đồng cỏ trong thập niên 1940 và 1950. Đất đai tại miền Tây Úc rất cũ, bị ảnh hưởng mạnh của thời tiết, thiếu hụt nhiều chất dinh dưỡng và vi chất quan trọng. Từ thời điểm đó các vi chất đó thường xuyên được thêm vào trong các loại phân bón vô cơ được sử dụng trong nông nghiệp tại bang này. Việc sản xuất amonia tổng hợp hiện tiêu thụ khoảng 5% lượng tiêu thụ khí tự nhiên toàn cầu, khoảng gần 2% sản xuất năng lượng của thế giới. Khí tự nhiên phần lớn được sử dụng để sản xuất amonia, nhưng các nguồn năng lượng khác, cùng với một nguồn hydro, có thể được dùng sản xuất các hỗn hợp nitơ thích hợp cho các loại phân bón. Chi phí cho khí tự nhiên chiếm khoảng 90% chi phí sản xuất amonia. Sự gia tăng giá các loại khí tự nhiên trong thập kỉ vừa qua, cùng với những yếu tố khác như tăng cầu, đã góp phần làm tăng giá phân bón. Các loại phân bón vô cơ hiện được sản xuất theo các cách thức sẽ không thể tiếp tục mãi mãi. Kali và phosphor được khai thác từ các mỏ (hay các hồ muối như Biển Chết) và các nguồn đó có giới hạn. Nitơ trong khí quyển ("không ngưng tụ") rõ ràng là không giới hạn (chiếm hơn 70% các loại khí trong khí quyển), nhưng đây không phải là hình thức thích hợp cho cây trồng. Để biến nitơ trở nên thích hợp cho cây cối cần quá trình ngưng tụ nitơ (biến nitơ khí quyền thành một hình thức sử dụng được cho cây trồng). Các loại phân bón nitơ nhân tạo nói chung được tổng hợp bằng các nhiên liệu hoá thạch như khí tự nhiên và than, là các nguồn tài nguyên có giới hạn. Thay vì biến khí tự nhiên thành syngas để sử dụng trong quá trình Haber, cũng có thể biến các nguồn biomass có thể tái tạo thành syngas (hay wood gas) để cung cấp năng lượng cần thiết cho quá trình, dù số lượng đất và các nguồn tài nguyên (trớ trêu thay thường gồm cả phân bón) cần thiết cho một dự án như thế có thể là quá lớn (xem Tiết kiệm nhiên liệu ở Hoa Kỳ). Ngoài tác dụng làm gia tăng sản lượng và cung cấp dưỡng chất trực tiếp cho cây, các loại phân bón hữu cơ có thể cải thiện sự đa dạng sinh học (tuổi thọ đất) và khả năng sản xuất lâu dài của đất và có thể là nơi lưu giữ phần lớn lượng carbon dioxide thừa. Các dưỡng chất hữu cơ làm tăng sự màu mỡ của các cơ cấu đất bằng cách cung cấp chất hữu cơ và chất dinh dưỡng cho các cơ cấu như nấm mycorrhiza (giúp các loại cây hấp thu dinh dưỡng) và có thể làm giảm đáng kể nhu cầu sử dụng các loại thuốc trừ sâu, năng lượng và phân bón, nhưng làm giảm sản lượng thu hoạch. Hàm lượng dinh dưỡng, tính tan và tỉ lệ nhả chất dinh dưỡng của phân bón hữu cơ nói chung đều thấp hơn các loại phân bón vô cơ. Một cuộc nghiên cứu thấy rằng trong một giai đoạn 140 ngày, sau 7 lần lọc: Nói chung, các chất dinh dưỡng trong phân bón hữu cơ vừa loãng vừa khó hấp thu hơn với cây trồng. Theo UC IPM, tất cả "phân bón hữu cơ" đều được xếp hạng là phân bón 'nhả chậm', vì thế không thể gây ra cháy nitơ. Các loại phân bón hữu cơ từ phân trộn và các nguồn khác có thể khá khác biệt tuỳ theo từng mẻ{http://www.msuorganicfarm.com/Compost.pdf}, nếu không thử nghiệm cho từng mẻ số lượng dinh dưỡng cần sử dụng không được biết chắc chắn. Tuy vậy chúng ít nhất cũng có hiệu quả như các loại phân bón hoá học sau những giai đoạn sử dụng dài. Ure có nguồn gốc súc vật, thích hợp để sử dụng trong nông nghiệp hữu cơ, trong khi các hình thức urê tổng hợp không thích hợp. Mối đe dọa thường thấy ở những ví dụ này là nền nông nghiệp "hữu cơ" tìm cách tự khẳng định mình thông qua quá trình sản xuất ở mức độ tối thiểu (trái ngược với quá trình Haber nhân tạo), cũng như chỉ xảy ra tự nhiên hay qua các quá trình sinh vật tự nhiên như ủ phân. Bùn cống sử dụng trong nông nghiệp hữu cơ tại Hoa Kỳ đã trở nên rất hạn chế và hiếm bởi USDA cấm thực hiện (vì sự tích tụ kim loại độc cùng các yếu tố khác). USDA hiện yêu cầu chứng nhận của bên thứ ba với các loại phân bón hữu cơ lỏng có độ nitơ cao được bán trên thị trường Hoa Kỳ. Các hợp chất giàu nitơ trong phân bón bị cuốn trôi là nguyên nhân chính gây ra sự suy kiệt oxy tại nhiều vùng đại dương, đặc biệt tại các vùng ven biển; việc thiếu oxy hoà tan do nguyên nhân này làm giảm rất nhiều khả năng duy trì của các khu vực đó với quần xã động vật của nó. Theo bề ngoài, nước trở nên đục và trở nên mất màu (xanh, vàng, xám hay đỏ). Khoảng một nửa số hồ ở Hoa Kỳ hiện dư thừa dinh dưỡng, trong khi số lượng những vùng chết gần các bờ biển có người sinh sống đang tăng lên. Ở thời điểm năm 2006, việc sử dụng phân bón nitơ đang được kiểm soát ngày càng nghiêm ngặt tại Anh Quốc và Hoa Kỳ. Nếu tình trạng dư thừa chất dinh dưỡng "có thể" được đảo ngược, có thể mất nhiều thập kỉ trước khi hàm lượng nitrate tích tụ trong nước ngầm có thể bị phân huỷ bởi các quá trình tự nhiên. Việc sử dụng nhiều phân bón nitơ vô cơ để tăng tối đa sản lượng, cộng với khả năng hoà tan lớn của chúng dẫn tới sự gia tăng cuốn trôi vào nước bề mặt cũng như thẩm thấu vào trong nước ngầm. Việc sử dụng ammonium nitrat trong các loại phân bón "vô cơ" đặc biệt gây hại, bởi cây cối hấp thụ các ion amoniac nhiều hơn các ion nitrate, trong khi các ion nitrate thừa không được hấp thụ tan ra (do mưa hay tưới tiêu) và bị cuốn trôi vào nước ngầm. Sự phát thải methane từ thu hoạch mùa màng (đáng kể nhất là từ các cánh đồng lúa) đang tăng lên do việc sử dụng các loại phân bón amonia; những phát thải này đóng góp lớn vào sự thay đổi khí hậu toàn cầu bởi methane là một loại khí nhà kính mạnh. Qua việc tăng cường sử dụng phân bón nitơ, tăng với tỉ lệ 1 tỉ tấn mỗi năm như hiện nay với lượng nitơ phản ứng có sẵn trong khí quyền, dinitơ monoxide (N2O) đã trở thành loại khí nhà kính có mức độ tác động lớn thứ ba sau carbon dioxide và methane. Nó có khả năng làm thay đổi khí hậu thế giới 296 lần lớn hơn một khối carbon dioxide tương tự và nó cũng góp phần làm suy giảm ozon ở tầng bình lưu. Việc lưu trữ và sử dụng một số loại phân bón nitơ trong một số điều kiện thời tiết hay đất có thể gây ra phát thải khí nhà kính tiềm tàng là nitơ oxide. Khí amonia (NH3) có thể phát thải sau khi sử dụng các loại phân bón 'vô cơ' hay phân súc vật hay bùn. Việc sử dụng phân bón trên một bình diện toàn cầu làm phát thải ra những lượng lớn khí nhà kính vào khí quyển. Những phát thải diễn ra qua việc sử dụng: Bằng cách thay đổi các quá trình và quy trình, có thể giảm một số, chứ không phải toàn bộ, những hiệu ứng đó với thay đổi khí hậu toàn cầu.