化肥的生產工藝解決了，農民也認識到施用化肥的增產效果。但怎樣才能大規模地生產化肥呢？
土壤中含有一定數量的養分，但它滿足不了農作物高產的需要。就拿氮素來說，土壤含氮量僅占千分之一，有機肥中含氮充其量不足1％，而農作物需氮量則要大得很多。科學家發現有一種可以作為氮肥來源的礦物質叫智利硝石，它的化學成分為硝酸鈉，含氮量達到15％。但隻有南美洲的智利才有儲存和生產，而且儲藏量很有限，很難供應全世界農田施肥之用。
社會在前進，科學在發展。
自然界的偶然現象常給人以啟迪。科學家發現，在茫茫無際的空氣中，80％的氣體是氮氣，在地球表麵1平方米之上的空氣中，就含有750萬立方米氮。但出現的問題是，空氣中的氮是氮氣，在常溫下它是一種惰性氣體，活性極差。但在雷雨季節的雷鳴電閃、雨滴中經常夾雜著少量的氮素進入土壤。進一步觀察發現，雷電產生的電火花溫度很高，強迫“懶惰”
的氮氣全部活躍起來，在氧氣中燃燒變成二氧化氮。二氧化氮溶解在雨滴裏，變成了硝酸，隨雨滴進入土壤，硝酸再與土壤中的鈉鹽作用，生成了硝酸鈉。這就是所說的硝石。科學家估算，雷鳴電閃，一個電火花通常長達幾十公裏，每年雷雨給大地帶來的氮素多達4億噸。
向大自然索取氮素，是科學家的研究課題。
隨著電力工業的發展，1901年，科學家發明了“人造閃電”，即通過電弧迫使空氣中的氮與氧化合成二氧化氮，進而獲取氮肥——硝石。但是，用電弧法生產氮肥耗電多、成本高、效率低，不大可能進行工廠化生產。科學家進而研究，在高溫高壓環境下可以使氮氣與氫氣結合在一起，氮分子終於被拆散，生成一種新的氮氫化合物——合成氨。
1913年，德國建立世界上第一個合成氨裝置，為發展氮肥工業奠定了基礎。合成氨來源於氮和氫的化合。氮來自於空氣，氫來自於水。水和空氣又是自然界極為豐富的資源。在化肥工廠裏，把礦石、煤、水、空氣、石油等作為基本原料，先製成氨，再使氨與其他化學物質化合，生產出各類氮肥。化學肥料便於運輸和機械作業，有效成分含量特別高，發揮肥效也特別快。例如100公斤尿素中就含有46％的氮素，施人土壤後5～7天即可溶解並為植物的根係吸收。
德國科學家後來發現了鉀鹽礦，並成功地從鹽水中提取出氯化鉀；19世紀初，德國建成了世界上第一座鉀肥工廠。
現代化肥工業誕生了。它是從空氣中的氮氣製造氮肥，從磷灰石製成磷肥，從海（湖）水中提取鉀肥。現今全世界已發展起豐富多樣、品種齊全的“化肥世家”。舉例來說：氮肥有尿素、硫酸銨、硝酸銨、碳酸氫銨、氨水等，磷肥有過磷酸鈣、鈣鎂磷肥、磷酸銨等，鉀肥有硫酸鉀、氯化鉀、碳酸鉀等。此外，還有名目繁多的微量元素肥料，如硼酸（硼肥）、硫酸錳（錳肥）、硫酸銅（銅肥）、氯化鋅（鋅肥）、鉬酸銨（鉬肥）等等。為了控製肥料養分釋放速度，科學家又相繼研製了長效肥料、複合肥料和緩效性肥料等。
在傳統農業階段，農業生產依靠自身的有機營養如秸杆、枯枝、殘茬等返回土壤以維持再生產，即所說的封閉式物質能量循環係統；化學肥料的投入，大大增加了外部物質能量的投入，即所說的開放式物質能量循環係統，極大地提高了耕地的產出率。
20世紀初期，全世界每年大約生產化學肥料（主要是氮肥）不到500萬噸，施肥麵積很小；到20世紀之末，世界生產化肥（純）已達1.4億噸。其中氮肥9100萬噸，磷肥3500萬噸，鉀肥2500萬噸。每公頃耕地平均施用化肥約900千克；在農業發達國家，每公頃耕地施用化肥達1500千克以上。中國是世界上化肥生產大國之一，1998年施用化肥總量4000多萬噸，居世界第三位。科學家估算，每施用1噸化肥（有效成分），相當於增加3～4公頃耕地農作物的產量。現在全世界約有1／2的糧食和其他農產晶，都是通過施用化學肥料轉換而來的。