20世纪初，农业和军工业发展对氮化合物的需求量越来越大，于是科学家想方设法固定空气中的氮，方法之一就是氢固定法，即用氢和氮合成氨。氨是合成氮肥的重要原料，同时本身也是一种氮肥，所以制氨法就成了重要研究课题。但合成氨很困难，常温常压下氮和氢反应无法制得，让它们通过电火花也只有少量产生，因此有人认为不可能合成氨。物理化学的发展带来了新的希望，质量作用定律、化学动力学、化学平衡原理等理论的问世使合成氨的本质日益清晰。
德国科学家哈伯及其学生在两万多次实验中逐渐认识到合成氨的原理。理论计算表明，氢、氮在200个大气压和600℃的条件下反应，氨的生成率为8%，哈伯意识到合成氨不可能实现硫酸生产中的高转化率。他们采用使反应气体在高压下循环加工，配以适当催化剂，在循环过程中不断分离氨的方法，最终以锇作催化剂在175～200个大气压下和500～600℃时，合成了6%以上的氨，1909年7月2日，成功建立了每小时产80克氨的实验装置，合成氨取得了重大突破。哈伯因此获1931年度诺贝尔化学奖。
合成氨的方法立刻被德国公司付诸工业生产，在工程师波施领导下，经过5年时间，选用含少量氧化铝的钾碱助催化的铁催化剂和耐高温高压的合成塔，建成了世界上第一座年产9000吨的合成氨厂，极大地满足了社会需求。合成氨在化学工业史上意义重大，是基础理论在工业上成功运用的典范，还开创了化工高压技术。此外，合成氨过程中出现的问题也向理论化学提出了要求，推动了基础理论的进一步发展。