Metoda ta polega na umieszczeniu przedmiotu obrabianego w piecu do azotowania, uprzednim opróżnieniu pieca do temperatury {{0}}~10-3 Torr (mmHg), a następnie wprowadzeniu gazowego N2 lub N2 + H2 mieszany gaz, wyregulować piec na 1 ~ 10 Torr, podłączyć korpus pieca do anody, podłączyć przedmiot obrabiany do katody i przepuścić napięcie prądu stałego o wartości kilkuset woltów pomiędzy dwiema elektrodami. W tym momencie gaz N2 w piecu spowoduje wyładowanie jaskrawe, tworząc jony dodatnie, które przemieszczają się na powierzchnię roboczą. W jednej chwili napięcie na katodzie gwałtownie spada, powodując, że jony dodatnie pędzą z dużą prędkością na powierzchnię katody, przekształcając energię kinetyczną w energię gazu, dzięki czemu można zwiększyć temperaturę powierzchni przedmiotu obrabianego. Pod wpływem jonów azotu Fe.CO i inne pierwiastki na powierzchni przedmiotu obrabianego są rozpryskiwane i łączone z jonami azotu, tworząc FeN, dzięki czemu azotek żelaza jest stopniowo adsorbowany na obrabianym przedmiocie, powodując azotowanie. Azotowanie jonowe zasadniczo wykorzystuje azot, ale jeśli zostanie dodany gaz węglowodorowy, można przeprowadzić miękkie azotowanie jonowe, ale ogólnie określa się je jako azotowanie jonowe. Stężenie azotu na powierzchni przedmiotu obrabianego może zmienić stosunek ciśnienia cząstkowego mieszanego gazu (N2 + H2). Podczas czystego azotowania jonowego jednofazowa struktura r′ (Fe4N) na powierzchni roboczej zawiera 5,7-6,1% wag. N, a grubość mieści się w granicach 10 μm. Ta złożona warstwa jest mocna i wytrzymała, ale nie porowata i niełatwo spaść. Ponieważ azotek żelaza jest stale adsorbowany przez przedmiot obrabiany i dyfundowany do wnętrza, struktura od powierzchni do wnętrza zmienia się w kolejności FeN → Fe2N → Fe3N → Fe4N. Jednofazowy ε (Fe3N) zawiera 5,7-11,0% wag. N, a jednofazowy ξ (Fe2N) zawiera 11,0-11,35% wag. N. Najpierw azotowanie jonowe generuje fazę r, a następnie dodaje układ gazów węglowodorowych, aby przekształcić go w warstwę złożoną i warstwę dyfuzyjną fazy ε. Zwiększenie warstwy dyfuzyjnej jest bardzo pomocne w zwiększeniu wytrzymałości zmęczeniowej. Najlepsza odporność na korozję jest w fazie ε.
