Auch wenn die anderen Anwendungen wichtig sind, wird der weitaus größte Teil des elementaren Stickstoffs bei der Herstellung von Stickstoffverbindungen verbraucht. Die Dreifachbindung zwischen den Atomen in den Stickstoffmolekülen ist so stark (226 Kilokalorien pro Mol, mehr als doppelt so viel wie bei molekularem Wasserstoff), dass es schwierig ist, molekularen Stickstoff in andere Verbindungen einzubringen.
Die wichtigste kommerzielle Methode zur Fixierung von Stickstoff (Einbau von elementarem Stickstoff in Verbindungen) ist das Haber-Bosch-Verfahren zur Synthese von Ammoniak. Dieses Verfahren wurde während des Ersten Weltkriegs entwickelt, um die Abhängigkeit Deutschlands von chilenischem Nitrat zu verringern. Es beinhaltet die direkte Synthese von Ammoniak aus seinen Elementen.
Große Mengen Stickstoff werden zusammen mit Wasserstoff verwendet, um Ammoniak, NH3, zu erzeugen, ein farbloses Gas mit einem stechenden, irritierenden Geruch. Die wichtigste kommerzielle Methode zur Synthese von Ammoniak ist das Haber-Bosch-Verfahren. Ammoniak ist eine der beiden wichtigsten Stickstoffverbindungen im Handel; es hat zahlreiche Verwendungen bei der Herstellung anderer wichtiger Stickstoffverbindungen. Ein großer Teil des kommerziell synthetisierten Ammoniaks wird in Salpetersäure (HNO3) und Nitrate umgewandelt, die Salze und Ester der Salpetersäure sind. Ammoniak wird im Ammoniak-Soda-Verfahren (Solvay-Verfahren) zur Herstellung von Soda, Na2CO3, verwendet. Ammoniak wird auch zur Herstellung von Hydrazin, N2H4, verwendet, einer farblosen Flüssigkeit, die als Raketentreibstoff und in vielen industriellen Prozessen eingesetzt wird.
Salpetersäure ist eine weitere beliebte kommerzielle Verbindung von Stickstoff. Sie ist eine farblose, stark ätzende Flüssigkeit und wird häufig bei der Herstellung von Düngemitteln, Farbstoffen, Arzneimitteln und Sprengstoffen verwendet. Harnstoff (CH4N2O) ist die häufigste Stickstoffquelle in Düngemitteln. Ammoniumnitrat (NH4NO3), ein Salz von Ammoniak und Salpetersäure, wird auch als stickstoffhaltiger Bestandteil von Kunstdüngern und in Verbindung mit Heizöl als Sprengstoff (ANFO) verwendet.
Mit Sauerstoff bildet Stickstoff mehrere Oxide, darunter Distickstoffoxid (N2O), bei dem der Stickstoff in der Oxidationsstufe +1 vorliegt, Stickstoffoxid (NO), bei dem er in der Oxidationsstufe +2 vorliegt, und Stickstoffdioxid (NO2), bei dem er in der Oxidationsstufe +4 vorliegt. Viele der Stickstoffoxide sind extrem flüchtig und gehören zu den Hauptverursachern der Luftverschmutzung. Distickstoffoxid, auch als Lachgas bekannt, wird manchmal als Narkosemittel verwendet; wenn es eingeatmet wird, führt es zu leichter Hysterie. Stickstoffoxid reagiert schnell mit Sauerstoff und bildet braunes Stickstoffdioxid, ein Zwischenprodukt bei der Herstellung von Salpetersäure und ein starkes Oxidationsmittel, das in chemischen Prozessen und als Raketentreibstoff verwendet wird.
Ebenfalls von einiger Bedeutung sind bestimmte Nitride, Feststoffe, die durch die direkte Verbindung von Metallen mit Stickstoff, in der Regel bei erhöhten Temperaturen, entstehen. Dazu gehören Härtemittel, die entstehen, wenn legierte Stähle in einer Ammoniakatmosphäre erhitzt werden, ein Prozess, der als Nitrieren bezeichnet wird. Für Bor, Titan, Zirkonium und Tantal gibt es spezielle Anwendungen. Eine kristalline Form von Bornitrid (BN) ist zum Beispiel fast so hart wie Diamant und weniger leicht oxidierbar und eignet sich daher als Hochtemperatur-Schleifmittel.
Die anorganischen Cyanide enthalten die Gruppe CN-. Cyanwasserstoff oder Formonitril, HCN, ist ein sehr flüchtiges und extrem giftiges Gas, das bei der Begasung, der Erzkonzentration und verschiedenen anderen industriellen Verfahren verwendet wird. Cyanogen oder Oxalonitril, (CN)2, wird auch als chemisches Zwischenprodukt und als Begasungsmittel verwendet.
Azide, die entweder anorganisch oder organisch sein können, sind Verbindungen, die drei Stickstoffatome als Gruppe enthalten, dargestellt als (-N3). Die meisten Azide sind instabil und sehr empfindlich gegenüber Stößen. Einige von ihnen, wie z. B. Bleiazid, Pb(N3)2, werden in Sprengkapseln und Zündhütchen verwendet. Die Azide reagieren wie die Halogenverbindungen leicht mit anderen Stoffen durch Verdrängung der sogenannten Azidgruppe und ergeben viele Arten von Verbindungen.
Stickstoff bildet viele tausend organische Verbindungen. Die meisten der bekannten Arten können als von Ammoniak, Cyanwasserstoff, Cyanogen und salpetriger oder Salpetersäure abgeleitet betrachtet werden. Die Amine, Aminosäuren und Amide beispielsweise leiten sich von Ammoniak ab oder sind eng mit ihm verwandt. Nitroglycerin und Nitrocellulose sind Ester der Salpetersäure. Nitroverbindungen werden durch die Reaktion (Nitrierung genannt) zwischen Salpetersäure und einer organischen Verbindung gewonnen. Nitrite werden aus salpetriger Säure (HNO2) gewonnen. Nitrosoverbindungen entstehen durch die Einwirkung von salpetriger Säure auf eine organische Verbindung. Purine und Alkaloide sind heterocyclische Verbindungen, bei denen Stickstoff ein oder mehrere Kohlenstoffatome ersetzt.