Азотфикса́ция, процесс восстановления молекулярного азота атмосферы до аммиака, осуществляемый азотфиксирующими (диазотрофными) бактериями – азотфиксаторами. Способность к азотфиксации выявлена у большинства прокариот – бактерий и архей, относящихся к разным физиологическим и таксономическим группам. Эукариоты не способны к азотфиксации, но у них имеются многочисленные приспособления для использования азотфиксирующих бактерий в качестве источника доступного азота. Азотфиксация осуществляется при участии ферментного комплекса – нитрогеназы, для действия которой необходима энергия, получаемая в процессе дыхания и брожения. Синтез, функционирование и регуляция нитрогеназы контролируются множеством генов (около 100).

Азотфиксация играет важную роль в круговороте азота на планете и по своей значимости для живой природы сопоставима с фотосинтезом. Она может протекать во всех природных средах, где обитают азотфиксирующие бактерии – в почвах, илах, пресных и морских водоёмах, на корнях растений, в кишечнике большинства животных. Но наиболее многочисленны они в почвах, вследствие чего наземным экосистемам принадлежит ведущая роль в поддержании азотного баланса биосферы. Азотфиксация является главным источником доступного для организмов азота на протяжении всей истории развития жизни. В агроценозах, например, на долю усвоенного с помощью азотфиксирующих бактерий азота обычно приходится до ²/₃ от его общего количества. Средняя продуктивность азотфиксации в почвах колеблется от 30–50 кг/га в год в зоне умеренного климата до 100–150 кг/га в год в тропиках. Особенно высокий уровень азотфиксации достигается в симбиозах клубеньковых бактерий с бобовыми растениями – до 350 кг/га в год. Азотфиксация служит показателем плодородия почвы.

Выяснение молекулярных механизмов и условий азотфиксации – одна из центральных проблем современной биологии. Основные исследования в области азотфиксации направлены на активацию природных популяций азотфиксирующих бактерий в конкретных почвенно-климатических условиях, поиск новых культур бактерий с высокой активностью нитрогеназы, создание искусственных симбиозов азотфиксирующих бактерий с небобовыми растениями.