Формування асоціації включає декілька стадій:
хемотаксис до коренів;
прикріплення до них;
проникнення бактерій внутрь кореня і колонізація міжклітинного простору між епідермісом і кортексом, іноді проникнення всередину кортексу, ксилему і серцевину, переміщення від кореня до стебл і листя.
У дослідах зі злаковими встановлено, що основним джерелом діазотрофів, крім грунту, може бути мікрофлора насіння. Є дані, що в насіння діазотрофи проникають через внутрішні тканини стебла, яке вони колонізують.
До асоціативних азотфіксаторів відносяться представники грамнегативних бактерій родів Azospirillum, Agrobacterium, Beijerinckia, Enterobacter, Xanthomonas, Klebsiella, Flavobacterium та інші. Найкраще досліджено Azospirillum, який виявлено в асоціації з різними злаковими і кормовими травами. Агробактерії можуть існувати як фітопатогени, так і як асоціативні партнери рослин. Агробактерії відносятся до асоціативних мікроорганізмам за такими ознаками: активність азотфіксації, синтез фітогормонів, адсорбція на коренях і колонізація кореневої системи. Проте механізми формування асоціації агробактерій з рослинами вивчено недостатньо.
Крім асоціативних діазотрофів відомі також вільноживучі діазотрофи, які здатні до азотфіксації поза рослиною: грамнегативні аероби - Azotobacter, Azomonas, Beijerinckia; грамнегативні факультативно-анаеробні ентеробактерії – Enterobacter aerogenes, Klebsiella pneumonia, Citrobacter intermedius, Xantobacter flavus; грампозитивні спороутворюючі бактерії (Bacillus macerans, Paenibacillus polymyxa), анаеробні (Сlostridium pasterianum, C. butiricum, C. acetobutiricum), а також одноклітинні та багатоклітинні фототрофні ціанобактерії. Що стосується псевдомонад, то довгий час вважали, що ці мікроорганізми не здатні засвоювати азот атмосферний азот. Нещодавно з’явилися повідомлення, що псевдомонади, у тому числі флуоресціюючі фіксують азот. Такі бактерії, наприклад, виділені з ризосфери озимого жита.
Відомо, що в найбільших масштабах азот фіксується в ході асоціативної азотфіксації. За оцінками Є.М. Мішустина за допомоги асоціативних азотфіксаторів утворюється 50-80 кг N2 в рік. Збільшення вмісту азоту в рослинах може бути обумовлено комплексним впливом на них азотфіксаторів, оскільки вони також виділяють у навколишнє середовище вітаміни, ферменти, амінокислоти, фітогормони (наприклад, індолілуксусна кислота - ІУК). Однією із умов гормональної дії ризосферної мікрофлори на рослини є наявність в ризосфері достатньої кількості триптофана, який виділяється коренями рослини. На його основі мікроорганізми синтезують ІУК. Крім того багато асоціативних діазотрофів (Azotobacter, Azospirillum, Pseudomonas) синтезують бактеріоцидні та фунгіцидні речовини, які пригнічують фітопатогенів. Бактеріостатичними речовинами можуть бути лектини деяких грунтових діазотрофів (псевдомонад, азоспірил, ризобій), що обумовлюють антагоністичну дію цих бактерій. Можливі також механізми витіснення фітопатогна біоагентом шляхом конкуренції за вихідні субстрати або за окремі елементи живлення (наприклад, сидерофори, які допомагають зв’язувати залізо та інші метали), а також лізис клітин фітопатогенів за допомогою літичних ферментів, формування захисної біоплівки і продукції ліпопептидного антибіотика, що характеризується бактеріостатичною дією – сурфактину.
За сучасними уявленнями, участь діазотрофів у колообігу азоту доповнюється нещодавно відкритою здатністю багатьох з них переходити до протилежного азотфіксації процесу – денитрифікації за наявності нітратів у середовищі. До азотфіксації і денітрифікації здатні бактерії з різних родів (Bacillus, Pseudomonas, Agrobacterium, Azotobacter, Flavobacterium, Rhizobium Klebsiella та інші). Ці мікроорганізми, мешкаючи в ризосфері рослин, здійснюють один з цих процесів. Існує думка, що інокуляція насіння діазотрофами може не тільки змінювати активність процесу азотфіксації в агрофітоценозі, а й активність процесу денитріфікації. Культури, які максимально активізують азотфіксацію в ризосфері, здатні підвищувати врожай небобових рослин на 40 %.
Щільність ризосферних бактерій велика (досягає 10 млрд. клітин в 1 г ґрунту), тому міжмікробні взаємодії відіграють важливу роль у функціонуванні ризосферних асоціативних азотфіксаторів. Вони легко вступають в асоціації з різними мікроорганізмами, частіше за всього з целюлозоруйнуючими бактеріями, наприклад, Cellulomonas gelida. Останні дають доступне джерело вуглецю, а діазатрофи – джерело азоту. Аналогічні синтрофні асоціації описані для азотфіксуючих спірил і пектинруйнуючих бактерій роду Bacillus. У цьому випадку діазотрофи використовують продукти ферментації пектину – ацетатну і бурштинову кислоти, причому нітрогеназна активність в асоціації була набагато більша, ніж в чистій культурі.
У природних умовах часто спостерігаються асоціації діазотрофів з грибами родів Penicillum, Trichoderma. Діазотрофи (Bacillus megaterium, B. polymixa) використовують в цих асоціаціях метаболіти грибів (моносахариди, органічні кислоти, вітаміни) і постачають грибам азот, при цьому азотфіксуюча активність діазотрофів зростає.
Виявлено зв’язок діазотрофів з мікоризними грибами. Наприклад, Azospirillum і Сlostridium виділені із ектомікоризи піхти. Існує припущення, що азот, який фіксується діазотрофами, необхідний для мікоризних грибів для спороутворення. Мікоризні гриби різнопланово впливаючи на рослини (покращують фосфорне живлення, здійснюють гормональну регуляцію), змінюють кількісний та якісний склад кореневих ексудатів, тим самим впливають на ризосферні мікроорганізми, у тому числі на діазотрофи. Так, показано, що ендомікоризні гриби бобових рослин стимулюють азотфіксацію ризобіями у бульбочках.