Вулканическая и геотермальная активность Земли вносят заметный вклад в природный бюджет N₂O. Хотя этот источник значительно уступает биологическим процессам, его изучение важно для понимания полного бюджета газа и геологических временных масштабов азотного цикла.
Вулканические газы содержат N₂O в концентрациях от нескольких ppb до единиц ppm. При фумарольной дегазации N₂O образуется в результате высокотемпературных реакций в магматических системах, а также при взаимодействии магматических газов с грунтовыми водами и почвами.
Особый интерес представляют гидротермальные системы — подводные и наземные. Океанические гидротермальные источники выделяют N₂O, синтезированный абиотически в условиях высоких температур и давлений, а также биогенный N₂O, произведённый термофильными микроорганизмами, адаптированными к экстремальным условиям.
Камчатка, Исландия, Йеллоустон и другие районы высокой геотермальной активности являются объектами постоянного мониторинга потоков N₂O. В России значительный вклад в эти исследования вносит Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН.
Глобальный вулканический вклад в бюджет N₂O оценивается в 0,004-0,008 Тг N/год — менее 0,1% от общих эмиссий. Тем не менее, в период интенсивной вулканической активности локальные концентрации N₂O вблизи вулканов могут превышать фоновые значения в десятки раз.
Изотопный состав вулканического N₂O существенно отличается от биогенного, что позволяет использовать изотопные методы для количественной оценки вулканического вклада. Значения δ¹⁵N вулканического N₂O, как правило, значительно ниже атмосферных фоновых значений.