離子氮化機理有幾種模型，現以陰極濺射模型為例說明其過程：將離子氮化爐抽真空（0.667Pa）；在爐內陽、陰極（工件）間充入低壓氣體（如N2、NH3，壓力一般小于1.33×103Pa）；在兩極間加直流電壓（400～800V），產生輝光放電；NH3電離形成N+、H+、e、N+、H+在電場加速下轟擊工件表面，一部分離子直接滲入工件，另一部分通過陰極濺射。

從工件表面轟擊出電子及鐵、氧原子元素。濺射出的鐵原子在等離子區與活性氮原子結合，形成FeN，被工件表面吸收。FeN受到高溫作用和離子的轟擊，按FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N順序分解為低價氮化鐵，同時析出原子氮。一部分氮原子向工件內部滲入，另一部分飛散到等離子區中，重新與濺射出的鐵原子結合。上述過程反復進行，即可實現氮化。

離子氮化比普通氮化滲速快得多，其原因是：工件表面受N+離子轟擊，表層晶格嚴重畸變，位錯密度大大增加，生產晶格缺陷，促進氮的擴散；工件表面（陰極）被濺射而和活化；離子轟擊工件表面加熱工件，電離提供較高濃度氮勢，使工件（固相）氣相（等離子區）界面有很高N濃度梯度，從而加速N的擴散。