O nitrogênio volta dos organismos para a atmosfera por meio de um processo chamado desnitrificação. A desnitrificação é realizada por bactérias que vivem em ambientes aeróbicos ou anaeróbicos. A desnitrificação converte nitrato (NO3-) e nitrito (NO2-), em gás nitrogênio (N2). Este processo é a etapa final do ciclo do nitrogênio e devolve o nitrogênio à atmosfera.

O processo de desnitrificação pode ser descrito pela seguinte equação química:

2 NO3- + 10 e- + 12 H+ → N2 + 6 H2O

Nesta equação, o nitrato (NO3-) é reduzido (ganha elétrons) para formar gás nitrogênio (N2). Os elétrons necessários para esta reação são normalmente obtidos a partir de matéria orgânica, que é decomposta por bactérias.

A desnitrificação é um processo muito importante no ciclo do nitrogênio porque ajuda a regular a quantidade de nitrogênio disponível para as plantas e outros organismos. A desnitrificação também ajuda a reduzir a quantidade de poluição por nitratos que pode entrar nos cursos de água e causar problemas aos ecossistemas aquáticos.