Embora as outras aplicações sejam importantes, de longe a maior parte do nitrogênio elementar é consumido na fabricação de compostos nitrogenados. A tripla ligação entre átomos nas moléculas de nitrogênio é tão forte (226 kilocalorias por molécula, mais que o dobro do hidrogênio molecular) que é difícil causar a entrada de nitrogênio molecular em outras combinações.
O principal método comercial de fixação de nitrogênio (incorporando nitrogênio elementar em compostos) é o processo Haber-Bosch para sintetizar o amoníaco. Este processo foi desenvolvido durante a Primeira Guerra Mundial para diminuir a dependência da Alemanha em relação ao nitrato chileno. Ele envolve a síntese direta de amônia a partir de seus elementos.
Grandes quantidades de nitrogênio são utilizadas juntamente com hidrogênio para produzir amônia, NH3, um gás incolor com um odor pungente e irritante. O principal método comercial de sintetizar o amoníaco é o processo Haber-Bosch. O amoníaco é um dos dois principais compostos nitrogenados do comércio; tem numerosos usos na fabricação de outros compostos nitrogenados importantes. Uma grande porção de amônia comercialmente sintetizada é convertida em ácido nítrico (HNO3) e nitratos, que são os sais e ésteres do ácido nítrico. A amônia é usada no processo de amônia soda (processo Solvay) para produzir carbonato de sódio, Na2CO3. A amônia também é usada na preparação de hidrazina, N2H4, um líquido incolor usado como combustível para foguetes e em muitos processos industriais.
O ácido nítrico é outro composto comercial popular de nitrogênio. Um líquido incolor e altamente corrosivo, é muito utilizado na produção de fertilizantes, corantes, drogas e explosivos. A uréia (CH4N2O) é a fonte mais comum de nitrogênio em fertilizantes. O nitrato de amônio (NH4NO3), um sal de amônia e ácido nítrico, também é usado como componente nitrogenado de fertilizantes artificiais e, combinado com o óleo combustível, como explosivo (ANFO).
Com oxigênio, o nitrogênio forma vários óxidos, incluindo o óxido nitroso, N2O, no qual o nitrogênio está no estado +1 de oxidação; o óxido nítrico, NO, no qual está no estado +2; e o dióxido de nitrogênio, NO2, no qual está no estado +4. Muitos dos óxidos de nitrogênio são extremamente voláteis; eles são fontes principais de poluição na atmosfera. O óxido nitroso, também conhecido como gás do riso, é às vezes usado como anestésico; quando inalado produz uma histeria leve. O óxido nítrico reage rapidamente com oxigênio para formar dióxido de nitrogênio marrom, um intermediário na fabricação de ácido nítrico e um poderoso agente oxidante utilizado em processos químicos e combustíveis para foguetes.
Também são importantes certos nitretos, sólidos formados por combinação direta de metais com nitrogênio, geralmente a temperaturas elevadas. Eles incluem agentes endurecedores produzidos quando aços de liga são aquecidos em uma atmosfera de amoníaco, um processo chamado nitretação. Os de boro, titânio, zircônio e tântalo têm aplicações especiais. Uma forma cristalina de nitreto de boro (BN), por exemplo, é quase tão dura como o diamante e menos facilmente oxidável, sendo por isso útil como um abrasivo de alta temperatura.
Os cianetos inorgânicos contêm o grupo CN-. O cianeto de hidrogênio, ou formonitrilo, HCN, é um gás altamente volátil e extremamente venenoso que é usado em fumigação, concentração de minério e vários outros processos industriais. Cianogênio, ou oxalonitrilo, (CN)2, também é usado como intermediário químico e fumigante.
Azetos, que podem ser inorgânicos ou orgânicos, são compostos que contêm três átomos de nitrogênio como um grupo, representado como (-N3). A maioria das azidas são instáveis e altamente sensíveis ao choque. Algumas delas, como a azida de chumbo, Pb(N3)2, são utilizadas em detonadores e tampas de percussão. As azidas, como os compostos halogenados, reagem prontamente com outras substâncias por deslocamento do chamado grupo das azidas e produzem muitos tipos de compostos.
Nitrogênio forma muitos milhares de compostos orgânicos. A maioria das variedades conhecidas pode ser considerada como derivada do amoníaco, cianeto de hidrogênio, cianogênio e ácido nitroso ou nítrico. As aminas, aminoácidos e amidas, por exemplo, são derivadas da amônia ou estão intimamente relacionadas a ela. A nitroglicerina e a nitrocelulose são ésteres do ácido nítrico. Os compostos nitrosos são obtidos a partir da reacção (chamada nitração) entre o ácido nítrico e um composto orgânico. Os nitritos são derivados do ácido nitroso (HNO2). Os compostos nitrosos são obtidos pela acção do ácido nitroso sobre um composto orgânico. Purinas e alcalóides são compostos heterocíclicos nos quais o nitrogénio substitui um ou mais átomos de carbono.