Ассимилируют атмосферный азот и закрепляют его в виде азотных соединений, создавая, таким образом, запасы азота в почве. Одним из таких микробов является Azotobacter, который фиксирует атмосферный азот в присутствии кислорода, переводя его в нитриты и нитраты, которые легко усваиваются растениями. Azotobacter, кроме фиксации азота, синтезирует и выделяет в почву различные витамины и биостимуляторы роста. Еще одной свободноживущей бактерией, способной фиксировать азот, является Clostridium pasteurianum. Свободноживущие микроорганизмы накапливают меньше азота в почве, чем клубеньковые (род Rhizobium), азотофиксирующие микроорганизмы, живущие в тесном симбиозе с корневой системой различных культурных растений. Эти микроорганизмы играют очень важную роль в земледелии. Фиксируемый ими азот, непосредственно через корневую систему, сразу поступает в растение.