地球上倍增的人口，要求人類生產出更多的糧食來支撐。但是，地球的空間是固定的，人均的土地不會增加。解決問題的辦法之壹便是設法對糧食畝產量的提高。糧食作物的生長需要磷肥、鉀肥和氮肥，沒有這些肥料，就難有好收成。因此，各種肥料的重要性和氮肥在各種肥料中的關鍵作用逐漸被人們所認識。
過去，氮肥以硝酸鈉和硫酸銨的形式被大量使用。由於需要量的迅速增加，人們不禁開始擔心硝酸鈉會很快用光，硫酸銨也將出現短缺現象。因此，固氮問題引起了科學界的高度重視。氮氣約占地球整個空氣的4/5。盡管空氣中有大量的遊離氮，但氮的化學性質很不活潑，直接利用很困難。科學家發現，在自然界常溫狀態下，遊離氮只能被壹種在豆科植物上生成的細菌直接利用，這種細菌叫做根瘤菌。根瘤菌有壹種絕妙的本領，那就是它具有固氮的功能，能夠在常溫下將空氣中的氮氣轉化成自身所需要的氮肥。
1902年，德國卡爾斯魯厄工程學院化學教授哈柏開始了固定氮為氮氧化物和氨（氮的最普通的化合物）的研究這壹劃時代的科研工作。在化學平衡理論的指導下，他開始壹點壹點地、耐心地進行試驗。他曾把能夠經受數百個大氣壓的反應容器鑲嵌在槍彈殼裏，利用阿馬埃爾社團的瓦斯燈公司提供的鉑、鎢、鈾等稀有金屬材料，冒著高溫、高壓的危險不斷實驗尋找著新的催化劑。
1907年，哈柏等人終於在約550℃和150至250個大氣壓的不尋常的高壓條件下，成功地得到了8.25%的氮的化合物——氨，並第壹次成功地制得了0.1公斤的合成氨，從而使合成氨的研制工作有可能突破實驗室，開始進入實用領域轉變成工業化生產。
1909年，哈柏又提出“循環”的概念。所謂“循環”，就是讓沒有發生化學反應的氮氣和氫氣重新回到反應器中去，而把已反應的氨通過冷凝分離出來。這樣，周而復始，可以提高合成氨的獲得率，使流程實用化。這壹概念的提出，可以說是合成氨研制技術邁向工業化進程中具有決定性意義的重大突破。
1919年，瑞典科學院考慮到哈柏發明的合成氨已在經濟生產中顯示出巨大的作用，便決定為哈柏頒發1918年度的世界科學最高榮譽——諾貝爾化學獎，以表彰他在合成氨研究方面的卓越貢獻。哈柏在領獎時發表的講話中，曾將合成氨發明的特點說成是“將石頭變成面包”，不想竟引起了全世界科學界的壹致暴怒。壹些評論家甚至將哈柏的發明與德國發動第壹次世界大戰聯系起來，認為他的發明也使得德國戰時炸藥的生產能力大為增強。
不管哈柏本人的比喻是否恰當，但是他的發明的確開辟了人類直接利用遊離狀態氨的途徑，也開創了高壓合成氨的化學方法。它的意義不僅僅是使大氣中的氮氣變成了生產化肥“取之不盡、用之不竭”的廉價來源，而且使得農業生產發生了根本的變革。同時，這項發明也大大推動了與之有關的科學、技術的發展。如1923年，在100至200個大氣壓條件下甲醇的合成；1926年，在100個大氣壓條件下的人造石油；1937年，在1400個大氣壓條件下的高壓聚乙烯生產等，無不與合成氨理論的建立和發展有關。從這壹點來說，哈柏開創了化學科研事業的新時代。