W trakcie wyładowania jarzeniowego gazy ulega dysocjacji, wzbudzeniu i jonizacji. Największa koncentracja jonów występuje tuż przy powierzchni detalu. Przedmiot stanowi katodę, natomiast obudowa komory roboczej anodę. Niejednorodny rozkład pola elektrycznego w komorze pieca prowadzi do powstawania stref o szczególnej intensywności procesów rekombinacji promienistej, tzw. poświaty katodowej. Przy powierzchni katody występuje obszar spadku katodowego, w którym jony ulegają największemu przyśpieszeniu. Rozpędzone jony ulegają płytkiej implantacji, ok. 0,5 nm. W efekcie zderzeń jonów z powierzchnią dochodzi do nagrzewania się obrabianego elementu. Sprzyja to dyfuzji azotu w głąb metalu. Jony o wysokiej energii kinetycznej mogą spowodować rozpylenie powierzchni, polegające na wybijaniu atomów bombardowanego metalu. Efekt ten jest wykorzystywany do oczyszczenia i uaktywnienia powierzchni przed procesem azotowania. Warstwy składające się z fazy gamma uzyskuje się w atmosferach nie zawierających związków węgla, a grubość ich jest mała, do 0,008 mm. Twardość warstw złożonych z azotku gamma waha się w granicach 1200–400 HV. Warstwy typu epsilon wytwarza się przez dodatek do atmosfery ok. 0,5% atomowych węgla. Przeważnie twardość ich wynosi 1300–1500 HV, przy niewielkiej kruchości.