反硝化作用是指在厌氧或缺氧（DO 0.3-0.5mg/L）条件下，NOx―-N及其它氮氧化物被用作电子受体被还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应，这个过程由反硝化菌完成。反应历程为：
可以是任何能提供电子，且能还原NOx―-N为氮气的物质，包括有机物、硫化物、H+等。进行这类反应的细菌主要有变形杆菌属、微球菌属、假单胞菌属、芽胞杆菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属等兼性细菌，它们在自然界中广泛存在。有分子氧存在时，利用O2作为最终电子受体，氧化有机物，进行呼吸；无分子氧存在时，利用NOx―-N进行呼吸。研究表明，这种利用分子氧和NOx―-N之间的转换很容易进行，即使频繁交换也不会抑制反硝化的进行。
大多数反硝化菌能进行反硝化的同时将NOx―-N同化为NH3-N而供给细胞合成之用，这也就是所谓同化反硝化。只有当NOx―-N作为反硝化菌唯一可利用的氨源时NOx―-N同化代谢才可能发生。如果废水中同时存在NH3-N，反硝化菌有限地利用NH3-N进行合成。
