化肥的生产工艺解决了，农民也认识到施用化肥的增产效果。但怎样才能大规模地生产化肥呢？
土壤中含有一定数量的养分，但它满足不了农作物高产的需要。就拿氮素来说，土壤含氮量仅占千分之一，有机肥中含氮充其量不足1％，而农作物需氮量则要大得很多。科学家发现有一种可以作为氮肥来源的矿物质叫智利硝石，它的化学成分为硝酸钠，含氮量达到15％。但只有南美洲的智利才有储存和生产，而且储藏量很有限，很难供应全世界农田施肥之用。
社会在前进，科学在发展。
自然界的偶然现象常给人以启迪。科学家发现，在茫茫无际的空气中，80％的气体是氮气，在地球表面1平方米之上的空气中，就含有750万立方米氮。但出现的问题是，空气中的氮是氮气，在常温下它是一种惰性气体，活性极差。但在雷雨季节的雷鸣电闪、雨滴中经常夹杂着少量的氮素进入土壤。进一步观察发现，雷电产生的电火花温度很高，强迫“懒惰”的氮气全部活跃起来，在氧气中燃烧变成二氧化氮。二氧化氮溶解在雨滴里，变成了硝酸，随雨滴进入土壤，硝酸再与土壤中的钠盐作用，生成了硝酸钠。这就是所说的硝石。科学家估算，雷鸣电闪，一个电火花通常长达几十公里，每年雷雨给大地带来的氮素多达4亿吨。
向大自然索取氮素，是科学家的研究课题。
随着电力工业的发展，1901年，科学家发明了“人造闪电”，即通过电弧迫使空气中的氮与氧化合成二氧化氮，进而获取氮肥——硝石。但是，用电弧法生产氮肥耗电多、成本高、效率低，不大可能进行工厂化生产。科学家进而研究，在高温高压环境下可以使氮气与氢气结合在一起，氮分子终于被拆散，生成一种新的氮氢化合物——合成氨。
1913年，德国建立世界上第一个合成氨装置，为发展氮肥工业奠定了基础。合成氨来源于氮和氢的化合。氮来自于空气，氢来自于水。水和空气又是自然界极为丰富的资源。在化肥工厂里，把矿石、煤、水、空气、石油等作为基本原料，先制成氨，再使氨与其他化学物质化合，生产出各类氮肥。化学肥料便于运输和机械作业，有效成分含量特别高，发挥肥效也特别快。例如100公斤尿素中就含有46％的氮素，施人土壤后5～7天即可溶解并为植物的根系吸收。
德国科学家后来发现了钾盐矿，并成功地从盐水中提取出氯化钾；19世纪初，德国建成了世界上第一座钾肥工厂。
现代化肥工业诞生了。它是从空气中的氮气制造氮肥，从磷灰石制成磷肥，从海（湖）水中提取钾肥。现今全世界已发展起丰富多样、品种齐全的“化肥世家”。举例来说：氮肥有尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵、氨水等，磷肥有过磷酸钙、钙镁磷肥、磷酸铵等，钾肥有硫酸钾、氯化钾、碳酸钾等。此外，还有名目繁多的微量元素肥料，如硼酸（硼肥）、硫酸锰（锰肥）、硫酸铜（铜肥）、氯化锌（锌肥）、钼酸铵（钼肥）等等。为了控制肥料养分释放速度，科学家又相继研制了长效肥料、复合肥料和缓效性肥料等。
在传统农业阶段，农业生产依靠自身的有机营养如秸杆、枯枝、残茬等返回土壤以维持再生产，即所说的封闭式物质能量循环系统；化学肥料的投入，大大增加了外部物质能量的投入，即所说的开放式物质能量循环系统，极大地提高了耕地的产出率。
20世纪初期，全世界每年大约生产化学肥料（主要是氮肥）不到500万吨，施肥面积很小；到20世纪之末，世界生产化肥（纯）已达14亿吨。其中氮肥9100万吨，磷肥3500万吨，钾肥2500万吨。每公顷耕地平均施用化肥约900千克；在农业发达国家，每公顷耕地施用化肥达1500千克以上。中国是世界上化肥生产大国之一，1998年施用化肥总量4000多万吨，居世界第三位。科学家估算，每施用1吨化肥（有效成分），相当于增加3～4公顷耕地农作物的产量。现在全世界约有1／2的粮食和其他农产晶，都是通过施用化学肥料转换而来的。