Stikstof komt van organismen terug in de atmosfeer via een proces dat denitrificatie wordt genoemd. Denitrificatie wordt uitgevoerd door bacteriën die in aerobe of anaerobe omgevingen leven. Bij denitrificatie wordt nitraat (NO3-) en nitriet (NO2-) omgezet in stikstofgas (N2). Dit proces is de laatste stap in de stikstofcyclus en brengt stikstof terug in de atmosfeer.

Het proces van denitrificatie kan worden beschreven door de volgende chemische vergelijking:

2 NO3- + 10 e- + 12 H+ → N2 + 6 H2O

In deze vergelijking wordt nitraat (NO3-) gereduceerd (krijgt elektronen) om stikstofgas (N2) te vormen. De elektronen die nodig zijn voor deze reactie worden doorgaans verkregen uit organisch materiaal, dat door bacteriën wordt afgebroken.

Denitrificatie is een zeer belangrijk proces in de stikstofcyclus omdat het helpt bij het reguleren van de hoeveelheid stikstof die beschikbaar is voor planten en andere organismen. Denitrificatie helpt ook de hoeveelheid nitraatverontreiniging te verminderen die in waterwegen terecht kan komen en problemen kan veroorzaken voor aquatische ecosystemen.