固氮微生物是一類能夠直接將大氣中的氮氣轉化為含氮化合物的微生物。
這些微生物主要包括細菌、放線菌和藍細菌，它們大多數屬於原核生物。固氮微生物可以通過兩種方式實現固氮作用，一種是獨立生存的非共生微生物，如好氣性細菌、嫌氣性細菌和藍藻；另一種是與植物共生的微生物，如與豆科植物共生的根瘤菌，與非豆科植物共生的放線菌，以及與水生蕨類植物共生的藍藻。其中，根瘤菌與豆科植物形成的共生體是一種常見的共生固氮形式。
固氮微生物在自然界的氮循環中扮演著重要角色，它們不僅能夠固定大氣中的氮氣供植物使用，還能增加土壤的氮含量，對農業生產具有重要意義。