熱力學計算表明，低溫、高壓對合成氨反應是有利的，但無催化劑時，反應的活化能很高，反應幾乎不發生。當采用鐵催化劑時，由于改變了反應歷程，降低了反應的活化能，使反應以顯著的速率進行。目前認為，合成氨反應的一種可能機理，首先是氮分子在鐵催化劑表面上進行化學吸附，使氮原子間的化學鍵減弱。接著是化學吸附的氫原子不斷地跟表面上的氮分子作用，在催化劑表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3，最后氨分子在表面上脫吸而生成氣態的氨。上述反應途徑可簡單地表示為：
xFe+N2→FexN
FexN+[H]吸→FexNH
FexNH+[H]吸→FexNH2
FexNH2+[H]吸FexNH3xFe+NH3
在無催化劑時，氨的合成反應的活化能很高，大約335kJ/mol。加入鐵催化劑后，反應以生成氮化物和氮氫化物兩個階段進行。第一階段的反應活化能為126kJ/mol～167kJ/mol，第二階段的反應活化能為13kJ/mol。由于反應途徑的改變（生成不穩定的中間化合物），降低了反應的活化能，因而反應速率加快了。
催化劑的催化能力一般稱為催化活性。有人認為：由于催化劑在反應前后的化學性質和質量不變，一旦制成一批催化劑之后，便可以永遠使用下去。實際上許多催化劑在使用過程中，其活性從小到大，逐漸達到正常水平，這就是催化劑的成熟期。接著，催化劑活性在一段時間里保持穩定，然后再下降，一直到衰老而不能再使用。活性保持穩定的時間即為催化劑的壽命，其長短因催化劑的制備方法和使用條件而異。
催化劑在穩定活性期間，往往因接觸少量的雜質而使活性明顯下降甚至被破壞，這種現象稱為催化劑的中毒。一般認為是由于催化劑表面的活性中心被雜質占據而引起中毒。中毒分為暫時性中毒和永久性中毒兩種。例如，對于合成氨反應中的鐵催化劑，O2、CO、CO2和水蒸氣等都能使催化劑中毒。但利用純凈的氫、氮混合氣體通過中毒的催化劑時，催化劑的活性又能恢復，因此這種中毒是暫時性中毒。相反，含P、S、As的化合物則可使鐵催化劑永久性中毒。催化劑中毒后，往往完全失去活性，這時即使再用純凈的氫、氮混合氣體處理，活性也很難恢復。催化劑中毒會嚴重影響生產的正常進行。工業上為了防止催化劑中毒，要把反應物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設備，提高成本。因此，研制具有較強抗毒能力的新型催化劑，是一個重要的課題。
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氨合成催化機理