固氮植物原理主要涉及植物與根瘤菌之間的共生關係。根瘤菌是一種能夠在植物根系形成根瘤的細菌，這種細菌與植物形成了一種互利共生的關係。根瘤菌在根瘤中固氮，將空氣中的氮氣轉化為植物可以吸收的氨，而植物則提供根瘤菌所需的碳水化合物。這種共生關係使得植物能夠利用氮氣，進而合成蛋白質等有機物。
具體來說，固氮過程涉及到固氮酶的作用，這是一種能夠還原氮氣為氨的酶。固氮酶由鐵蛋白和鉬鐵蛋白兩個組分構成，其中鐵蛋白負責傳遞電子，鉬鐵蛋白則結合氮分子並傳遞電子將其還原成氨。此外，固氮過程是一個需要能量的還原過程，需要電子供體和電子載體參與，以及足夠的能量來打開氮氣的三價鍵。
豆科植物中的根瘤細胞還會合成共生血紅蛋白（豆血紅蛋白），這種蛋白質存在於豆科植物根瘤中，類似於人體血液中的血紅蛋白，能夠調節氧氣濃度，以滿足固氮酶、宿主細胞與根瘤菌的不同需求。