Dit d'une façon très simplifiée : succession de processus naturels qui transforme l'azote (N2) en substances organiques, puis retransforme celles-ci en azote.
Mais voici une définition générale en 6 étapes simples, qui ne concerne pas uniquement le milieu aquatique mais tous les milieux:
L'azote gazeux est transformé en composés minéraux par les cyanophycées (Anaebaena, Nestoc, Phormidium) ou les bactéries (Azotobacter, Clostridium, Desulfovibrio). Ce phénomène ne touche que les organismes primitifs.
C'est la transformation en matière organique de composés minéraux (par les organismes autotrophes, c'est à dire les végétaux) ou de matière organique en autre matière organique (par les hétérotrophes, c'est à dire les animaux). Ce processus constitue ce que l'on nomme synthèse des protéines. Ainsi, un végétarien transformera les protéines végétales en protéines animales, dont les carnivores se nourriront pour fabriquer d'autres protéines. Seuls les végétaux (dont font partie les bactéries) sont capables de synthétiser des protéines à partir d'léments minéraux; c'est la raison pour laquelle l'on peut cultiver des plantes grâce à une solution nutritive ne comportant que des sels minéraux, chose qu'il serait vain d'entreprendre avec un animal.
Il s'agit de l'émission de matières organiques non assimilées, car non digestibles, et de molécules plus petites, résultant de la dégradation plus ou moins complète de la matière organique, telles que l'ammoniac (amphibiens de forme larvaire, bactéries, invertébrés et vertébrés aquatiques), l'urée (amphibiens adultes et vertébrés terrestres) ou sous sa forme acide en acide urique (reptiles terrestres et oiseaux).
Les molécules issues du métabolisme et présentes dans le milieu après excrétion, sont décomposées en ammoniac par des bactéries (Achromobacter, bacillus, Clostridium, Corynebactérium, Flavobacterium, Nitrococcus, Proteus, Pseudomonas, Sarratia).
C'est la succession de deux processus : la nitratation, qui conduit les ions ammonium à s'oxyder en nitrites par des bactéries (Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrospira) et la nitratation, qui transforme les nitrites en nitrates par des bactéries également (Nitrobacter).
Processus inverse du précédent, conduisant à la réduction des nitrates en nitrites puis éventuellement en diazote ou ammoniac et effectué grâce à des bactéries dénitrifiantes (Azotobacter, Arthrobacter, Bacillus, Pseudomonas, Thiobacillus).