离子氮化机理有几种模型，现以阴极溅射模型为例说明其过程：将离子氮化炉抽真空（0.667Pa）；在炉内阳、阴极（工件）间充入低压气体（如N2、NH3，压力一般小于1.33×103Pa）；在两极间加直流电压（400～800V），产生辉光放电；NH3电离形成N+、H+、e、N+、H+在电场加速下轰击工件表面，一部分离子直接渗入工件，另一部分通过阴极溅射。

从工件表面轰击出电子及铁、氧原子元素。溅射出的铁原子在等离子区与活性氮原子结合，形成FeN，被工件表面吸收。FeN受到高温作用和离子的轰击，按FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N顺序分解为低价氮化铁，同时析出原子氮。一部分氮原子向工件内部渗入，另一部分飞散到等离子区中，重新与溅射出的铁原子结合。上述过程反复进行，即可实现氮化。

离子氮化比普通氮化渗速快得多，其原因是：工件表面受N+离子轰击，表层晶格严重畸变，位错密度大大增加，生产晶格缺陷，促进氮的扩散；工件表面（阴极）被溅射而和活化；离子轰击工件表面加热工件，电离提供较高浓度氮势，使工件（固相）气相（等离子区）界面有很高N浓度梯度，从而加速N的扩散。