Den motsatte reaksjonen av nitrogenfiksering kalles denitrifikasjon. Dette er også en prosess som skjer i bakterier, og oppstår som regel i sammenheng med liten oksygentilførsel og organisk materiale. Under slike prosesser blir nitrater redusert til nitritt, nitrogenoksid, fritt nitrogen og ammonium. Denitrifikasjon fører nitrogen tilbake til atmosfæren, og skjer både på landjorden og i vann og hav.