属于[[革兰氏阴性菌（G-菌）]] 形态：螺旋形至类梭形形态 大小：0.9–2.2 × 0.2–0.4微米 群落形态：非浮游生物，以团块形式存在于生物膜中，这些团块被称为聚集体。使用透射电子显微镜（TEM）观察确认了外膜上类似星形的突起（6-8纳米厚）。
周质空间异常宽大（34-41纳米厚），这为容纳富含电子的分子提供了空间。电子缺乏的结构位于细胞质中，被认为是糖原储存囊泡；细胞质中也发现了聚羟基丁酸和聚磷酸盐颗粒。
Nitrospira是一种普遍存在的细菌。适合多种栖息地，包括废水处理系统中的活性污泥、自然生物海洋环境、水族箱中的水循环生物过滤器、陆地系统、淡水、盐水生态系统、农业土地、温泉、海绵、森林土壤、饮用水系统。
此外，还发现了具有完全硝化能力（comammox细菌）的硝螺旋菌成员并进行了培养。
总体代谢
硝螺旋菌能够进行
• 有氧氢氧化
• [[【硝化作用】第2步：亚硝酸盐氧化到硝酸盐]]
以获取电子，但高浓度的亚硝酸盐已被证明会抑制其生长。
尽管通常被归类为专性化能自养生物，但一些硝螺旋菌具有混合营养的能力。例如，在不同的环境中，硝螺旋菌可以选择通过碳固定或消耗有机分子（甘油、丙酮酸或甲酸盐）来同化碳。新的研究还显示硝螺旋菌可以使用尿素作为营养来源。其基因组中编码的脲酶可以将尿素分解为$和氨。$可以通过合成代谢被同化，而硝螺旋菌释放的氨和有机副产物允许[[亚硝酸菌（AOB，氨氧化菌）]]和其他微生物在同一微环境中共存。
这个属的所有成员都具有亚硝酸盐氧化还原酶基因，因此都被认为是亚硝酸盐氧化菌。
自从硝化细菌被发现以来，人们普遍接受硝化作用分为两步进行，尽管对于单个生物体来说，进行这两个步骤在能量上是有利的。最近发现硝螺旋菌中的一些成员具有进行完全硝化的能力（comammox细菌），并且在[[硝螺旋菌意外种（Nitrospira inopinata）]]的案例中已被培养。
有了这些新发现，现在有可能在工程系统（如废水处理厂）中主要使用完全硝化而不是部分硝化，因为完全硝化导致温室气体一氧化二氮和一氧化氮向大气排放量降低。
基因组
在测序和分析硝螺旋菌成员的DNA后，研究人员发现这两种物种都有编码氨单加氧酶（Amo）和羟胺脱氢酶（hao）的基因，氨氧化细菌（AOB）使用这些酶将氨转化为亚硝酸盐。这些细菌拥有进行硝化作用第一步所需的所有酶的亚单位和必要的细胞膜相关蛋白及转运蛋白。Amo基因的起源存在争议，一项研究发现它与其他AOB相似，而另一项研究发现Amo基因在遗传上与其他谱系不同。当前的研究发现表明，hao基因在系统发育上与其他AOB中存在的hao基因不同，这意味着它们很久以前就通过水平基因转移获得了这些基因。
硝螺旋菌还携带编码亚硝酸盐氧化还原酶（nxr）所有亚单位的基因，该酶催化硝化作用的第二步。