カール・ボッシュ
オストヴァルトとの一件以降も、固定窒素の問題はボッシュの頭を離れずにいた。当時、固定窒素を作りだす方法として、電気炉を使った方法が知られていた。この方法は1902年にノルウェーのクリスチャン・ビルケランドとサム・アイデ(英語版)によって実行された。BASFでもこの方法を試していて、ボッシュもガラスの装置を自作するなどして関わっていたが、この方法は費用の面で問題を抱えていた。そのためBASFでは他の方法を模索するようになった。そして、1902年にフタル酸工場の増設が終わって手の空いていたボッシュが中心となって、この問題に本格的に取り組むようになった。
ボッシュは様々な方法を試してみたが、満足のいく結果は見られなかった。そのさなかの1909年、BASFはカールスルーエ高等工業学校の教授であるフリッツ・ハーバーから、固定窒素についての報告を受けた。それは、高温・高圧下でオスミウムを触媒にすることでアンモニアが合成されるというものであった。
しかし、この方法は未知の領域で、大量生産を実現させるには多くの資金と困難が予想された。とりわけやっかいなのが圧力であった。ハーバーが、この方法は100気圧の圧力が必要だと述べると、BASF研究部長のアウグスト・ベルントゼンは、「100気圧だって! つい昨日、7気圧かけた圧力釜が爆発したんだぞ!」と叫んだ。しかしボッシュは、「うまくいくと思います。
ボッシュの大きな業績は、ハーバー・ボッシュ法によるアンモニアの合成を工業的に成功させたことである。
フリッツ・ハーバーが実験的に成功させたアンモニア合成法は、高温高圧下の大気中でオスミウムを触媒にして水素と窒素を結合させるというものであった。しかしこの方法は、高圧に耐える装置を作らなければならないこと、オスミウムが希少な元素のため高価なこと、水素を大量生産する技術が確立されていないこと、などの問題を抱えていた。
このうち触媒については、同僚のアルヴィン・ミタッシュを中心に様々な試料で調査が進められ、その結果、通常の鉄では効果が無いがスウェーデン産の磁鉄鉱であれば触媒として使えることが分かった。これを受けてミタッシュは、鉄に何らかの不純物が入ることで触媒となるのではと考えて実験を続け、最終的に、鉄に酸化アルミニウムやカルシウムを加えることで、オスミウムと同等のアンモニアが生成できることを発見した。
水素については、熱した石炭に水蒸気を吹きつけて水から水素を得るという水蒸気改質法と呼ばれる方法を採用したが、この方法は有害な一酸化炭素も同時に発生するという欠点があった。これを防ぐ溶液もあるのだが、この溶液は装置に使われている鉄を腐食させてしまう。