异养硝化菌种类繁多，可以利用铵、胺、酰胺、肟、氧肟酸及芳香硝基等多种含氮化合物，这在一定程度上也为研究异养硝化菌造成了一定程度的困难。早期研究发现异养硝化菌的氮代谢途径主要可以分为无机和有机两种途径：

无机途径：NH₄⁺→NH₂OH→NO₂-N→NO₃-N；

有机途径：RNH₂→ RNHOH→RNO→RNO₂→NO₃-N。

目前关于异养硝化菌氮代谢途径的认识主要集中在无机途径上，其中被广泛认可的有以下两种：

①耦联异养硝化-好氧反硝化的氮代谢途径

耦联的异养硝化-好氧反硝化被广泛的认为是异养硝化菌在好氧条件下实现生物脱氮的原因，即异化的氮代谢途径是通过异养硝化作用NH₄⁺经NH₂OH转化为NO₂^-，然后进一步氧化为NO₃^-，同时在好氧的条件下通过反硝化作用将产生的NO₂^-还原成N₂O和（或）N₂。这其实与传统的生物脱氮途径一致，是以NO₂^-作为硝化和反硝化的结合点，差别仅在于异养硝化-好氧反硝化过程是由异养细菌在好氧条件下完成，且相比传统硝化菌往往不易累积亚硝酸盐。

②其他氮代谢途径

随着研究的发展，发现一些异养硝化-好氧反硝化存在着其他多种的氨氧化途径，例如：一种路径为NH₄⁺→NH₂OH→NO₂^－→N₂，该路径与完全硝化反硝化不同，NH₄⁺在转化为NO₂^－后并没有再进一步转化NO₃^－，而是直接转化为氮气；一种路径为NH₄⁺→NH₂OH→N₂O→N₂，该路径NH₄⁺在转化为NH₂OH后不通过NO₂^－，直接转化为含氮气体。