在无氧或微含氧条件下，有些细菌能利用硝酸盐作为呼吸代谢的最终电子受体。硝酸盐呼吸是某些只能进行氧化代谢的细菌(如铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa，脱氮副球菌Paracoccus denitrificans)，在厌氧和有硝酸盐存在的条件下，在电子传递链偶联的反应中，硝酸盐被硝酸还原酶(nitratase)还原成亚硝酸盐的过程。硝酸盐还原酶从b或c型细胞色素(依种而定)上接受电子。

这些电子可来自有机物，而在某些情况下，来自无机物，如氢(脱氮副球菌 Paracoccus denitrificans)或硫化硫酸盐(脱氮硫杆菌 Thiobacillus denitrificans)。由于亚硝酸盐是有毒的，所以能把硝酸盐还原成亚硝酸盐的微生物，只能在有限范围内利用硝酸盐呼吸。另一些微生物能利用亚硝酸盐还原酶还原亚硝酸盐。在铜绿假单胞菌，脱氮副球菌和粪产碱菌(Alcaligenes faecalis)中，这种酶也被称为细胞色素dic。氧化氮作为中间产物形成，在高亚硝酸盐浓度下会释放出来。正常时，还原成一氧化二氮和(或)气态氮（当硝酸盐呼吸的产物是气体时，这个过程称为反硝化作用）。在某些芽胞杆菌(Bacillus spp.)中，硝酸盐呼吸的终产物是氨。在硝酸盐呼吸期间，通过氧化磷酸化获得能量，产生的能量一般少于在好氧呼吸时获得的能量。 大肠埃希氏菌(Escherichia coli)和某些其它兼性厌氧菌在硝酸盐存在下，厌氧生长时还原硝酸盐(经亚硝酸盐)成氨。在这些微生物中，亚硝酸盐抑制乌头酸酶和延胡索酸酶，因此，在这种条件下，三羧酸循环不起作用，正常的呼吸代谢不能发生。在大肠埃希氏菌中，硝酸盐还原酶显示出与甲酸脱氢酶系统密切的关系(硝酸盐在甲酸氧化中作为电子受体)。