脫氮硫桿菌是嚴格自養菌，只能利用無機碳源（如碳酸根離子、碳酸氫根離子）進行生長代謝。有研究表明，脫氮硫桿菌是通過卡爾文循環途徑固定二氧化碳，其胞內含有卡爾文循環的兩種關鍵酶——1,5-二磷酸核酮糖羧化酶和5-磷酸核酮糖激酶。
脫氮硫桿菌能夠利用的氮源范圍很廣，可以是氨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽以及氨基酸等，在厭氧條件下，硝酸鹽又被作為電子受體而被還原。
在硫循環體系中，好氧條件下，脫氮硫桿菌以氧為電子受體氧化還原硫化合物而獲得能量。
厭氧條件下，脫氮硫桿菌以反硝化反應的方式同時參與硫、氮循環,以硝酸鹽中的氧來氧化硫化合物。