到19世紀中期，人們對植物生長的機理已經有了一定的認識，越來越注意到氨對生物的作用。氮是一切生物蛋白質組成中不可缺少的元素。因而它在自然界中對人類以及其他生物的生存有很重要的意義。
自然界中氮的總含量約占地殼全部質量的0.04%，大部分以單質狀態存在於大氣中。空氣中含有約78%的氮氣，是空氣的主要組成成分。但是，不論是人或其他生物（除少數生物外），都不能從空氣中直接吸收這種遊離狀態的氮作為自己的養料。植物隻能靠根部從土壤中吸收含氮的化合物轉變成蛋白質。人和其他動物隻能攝食各種植物和動物體內已經製好了的蛋白質來補充自己的需要。因此生物從自然界索取氮作為自身營養的問題最終歸結為植物由土壤吸收含氮化合物的問題。
土壤中含氮化合物的主要來源是：動物的排泄物或動植物的屍體進入土壤後轉變形成；雷雨放電時在大氣中形成氮的氧化物溶於雨水被帶入土壤；某些與豆科植物共生的根瘤菌吸收空氣中的氮氣生成一些氮的化合物。但是這些來源遠遠不能補償大規模農業生產的需要。於是如何使大氣中遊離的氦氣轉變成能為植物吸收的氮的化合物，也就是氮的固定，成為化學家們探索的課題。
這個課題在20世紀初取得突破。首先是在1898年，德國化學教授弗蘭克和他的助手羅特與卡羅博士發現，碳化鋇在氮氣中加熱後有氰化鋇和氰氨基鋇生成，接著發現碳化鈣在氮氣中加熱到1000℃以上，也能生成氰氨基鈣，並發現氰氨基鈣水解後產生氨，於是首先建議將氰氨基鈣用作肥料。
1904年，在德國建立了第一個工業生產裝置。1905年，在意大利也建立工廠，隨後在美國、加拿大相繼建廠。到1921年，氰氨基鈣全世界產量達每年50萬噸，但從此以後新工廠建造漸漸停止，因為由氫和氮直接合成氨的工業在悄然興起。
隨後，開始利用電力使氮氣和氧氣直接化合，生成氮的氧化物，溶於水生成硝酸和亞硝酸。
要使這個方法在工業生產中實現，需要強大的電力、穩定的電弧。1904年，這個實驗由挪威物理學教授伯克蘭德和工程師艾德設計完成。他們用通有冷卻水的銅管作電極，通入交流電。對生成的電弧加上一強磁場，使電弧形成一個振蕩的圓盤狀，火焰的麵積因此增加很大，溫度可達3300℃。
此裝置於1905年在挪威諾托登投入運轉。挪威具有強大的水力發電裝置，能夠利用這一方法製取硝酸。但是這種製取硝酸的方法在氨的氧化法製硝酸出現後，很快就失去了工業價值。
氨的氧化是先從合成氨開始的。合成氨的發明是第三個氮的化學固定方法。
氨又稱阿摩尼亞氣，這個詞來自古埃及的司生命和生殖神。這是由於在古埃及司生命和生殖神神殿旁堆集著來朝拜人騎的駱駝糞和剩餘的供品，逐漸形成氯化銨。含氮的有機物、動植物的屍體和排泄物在細菌的作用下均能生成氨。
1774年，普利斯特裏加熱氯化銨和氫氧化鈣的混合物，利用排汞取氣法，首先收集到氨。1784年，貝托萊分析確定氨是由氮和氫組成的。19世紀很多化學家們試圖從氮氣和氫氣合成氨，采用催化劑、電弧、高溫、高壓等手段進行試驗，一直未能獲得成功，以致有人認為氮和氫合成氨是不可能實現的。
直到19世紀，在化學熱力學、化學動力學和催化劑等這些新學科研究領域取得一定進展後，才使一些化學家在正確的理論指導下，對合成氨的反應進行了有效的研究而取得成功。