NOx 生成机理主要有燃料型、热力型及快速型三种。燃料型 NOx 约占总 NOx的 80-90%；其次是热力型，主要是由于炉内局部高温造成，也可采用适当措施加时控制；快速型 NOx 生成量很少。
（1）燃料型 NOx
燃料型 NOx 是由化学地结合在燃料中的杂环氮化物热分解，并与氧化合而生成的 NOx，其生成量与燃料中氮的含量有很大关系，当燃烧中氮的含量超过 0.1％时，结合在燃料的氮转化为 NOx 的量占主要地位，如煤的含氮量一般为 0.5～2.5％；燃料 NOx 的形成可占生成总量的 60％以上，燃料氮转化为 NOx 量主要取决于空气过剩系数，空气过剩系数降低，NOx 的生成量也降低，这是因为在缺氧状态下，燃料中挥发出来的氮与碳、氢竞争不足的氧，由于氮缺乏竞争能力，而减少了 NOx 的形成。
（2）热力型 NOx
热力型NOx的生成机理是高温下空气的N2氧化形成NO，其主成速度与燃烧温度有很大关系，当燃烧温度低于 1400℃时热力NOx生成速度较慢，当温度高于1400℃反应明显加快，根据阿累尼乌斯定律，反应速度按指数规律增加。这说明，在实际炉内温度分别不均匀的情况下，局部高温的地方会生成很多的NOx，并会对整个炉内的NOx生成量起决定性影响。热力NOx的生成量则与空气过剩系数有很大关系，氧浓度增加，NOx生成量也增加。当出现 15％的过量空气时，当过量空气超过 15％时，由于燃料被稀释，燃烧温度下降，反而会导致NOx生成减少。热力NOx的生成还与烟气在高温区的停留时间有关，停留时间越长，NOx越多，这是因为在炉膛燃烧温度下，NOx的生成反应还未达到平衡，因而NOx的生成量将随烟气在高温区的停留时间增长而增加。
（3）快速型 NOx
快速NOx是 1971 年Fenimore根据碳氢燃料预混火焰的轴向NOx分布实验结果提出的，是燃料在燃烧过程中碳氢化合物分解的中间产物N2反应生成的氮氧化合物，其生成速度极快，主要在火焰面上形成，且生成量较小，一般在 5％以下，其主要反应如下：在温度低于 2000K（1727℃）时，NOx主成主要通过CH-N2反应，在不含氮的碳氢燃料低温燃烧时，需重点考虑快速NOx的生成。