Cela concerne les propriétés du sol liées à l'activité microbienne et de la faune dans le sol. Ces organismes comprennent les lombrics, nématodes, protozoaires, champignons, bactéries et différents arthropodes. La biologie du sol joue un rôle essentiel dans la détermination de nombreuses caractéristiques du sol, mais, étant une science relativement nouvelle, il reste encore beaucoup à découvrir sur la biologie des sols et sur la façon dont cela affecte la nature du sol. Les organismes du sol décomposent la matière organique et, ce faisant, libèrent des nutriments disponibles à l'absorption par les plantes. Le stockage des éléments nutritifs dans le corps des organismes du sol empêche la perte de nutriments par lessivage. Les microbes maintiennent également la structure du sol tandis que les vers de terre jouent un rôle important dans la bioturbation du sol. Les bactéries jouent un rôle essentiel dans le cycle de l'azote affectant :

• La minéralisation est définie comme une imprégnation avec de l'ammoniac ou un composé d'ammoniaque. Il constitue le processus par lequel les formes pures de l'azote se transforment en ammonium par les décomposeurs ou des bactéries. Quand une plante ou un animal meurt, ou qu'un animal évacue un déchet, la forme initiale de l'azote est organique. Les bactéries, ou les champignons dans certains cas, convertissent l'azote organique en ammonium (NH4 +), un processus appelé ammonification ou minéralisation.
• La nitrification : les bactéries sont capables de transformer l'azote produit par la décomposition des protéines sous forme ammonium, en nitrates, qui sont disponibles pour la croissance des plantes.
• La fixation d'azote est effectuée par des bactéries fixatrices d'azote vivant librement dans le sol ou l'eau comme Azotobacter, ou par celles qui vivent en étroite symbiose avec les plantes légumineuses, telles que les rhizobiums. Ces bactéries forment des colonies dans les nodosités  créées sur les racines de pois, de haricots et autres espèces apparentées. Ces bactéries sont capables de convertir l'azote de l'atmosphère en substances organiques contenant de l'azote.
• La dénitrification restitue l'azote à l'atmosphère. Les bactéries dénitrifiantes ont tendance à être anaérobies, y compris Achromobacter et Pseudomonas. Le procédé de purification causée par des conditions exemptes d'oxygène convertit les nitrates et les nitrites du sol en azote gazeux ou autres composés gazeux tels que le protoxyde d'azote ou l’oxyde nitrique. Quand elle est importante, la dénitrification peut conduire à des pertes globales de l'azote disponible dans le sol et à la perte de fertilité des sols.

Le schéma du cycle du carbone montre le processus par lequel l'élément carbone est échangé entre la biosphère, la pédosphère, la géosphère, l'hydrosphère et l'atmosphère de la Terre. C'est le processus le plus important sur la planète Terre, car cela permet de recycler et de réutiliser son élément le plus abondant. Les mouvements de carbone, les échanges de carbone entre les réservoirs, se produisent en raison de divers processus biologiques, chimiques, physiques et géologiques.

Les microbes qui vivent dans le sol recyclent les éléments nutritifs tels que le carbone et l'azote grâce au système du sol. Une grande partie de la matière organique ajoutée chaque année à la litière (la matière accumulée à la surface du sol) ou dans la zone racinaire est presque entièrement consommée par les microbes ; il existe donc un réservoir de carbone avec un temps de rotation très rapide - de l'ordre de 1 à 3 ans dans de nombreux cas. Les sous-produits de cette consommation microbienne sont CO₂, H₂O et un grand nombre d'autres composés, connus collectivement sous forme d'humus. L'humus est un composé beaucoup moins facilement consommable par les microbes ; il n'est pas décomposé très rapidement. Après sa production à des niveaux peu profonds dans le sol, l’humus se déplace généralement vers le bas et s'accumule dans des zones de sol ayant une forte teneur en argile. Une partie de la raison pour laquelle il s'accumule dans les parties inférieures du sol, c'est qu'il semble y avoir moins d'oxygène dans ce milieu, et le manque d'oxygène rend encore plus difficile pour les microbes la décomposition de cet humus. Cependant, en raison de divers processus qui remuent le sol, cet humus remonte jusqu'à un endroit où il y a plus d'oxygène et les microbes finiront par détruire l'humus et libérer du CO₂.Cet humus constitue donc un autre réservoir de carbone du sol, avec une plus longue durée de vie. Des datations au carbone 14 sur une partie de cet humus donnent des âges de plusieurs centaines jusqu’à un millier d'années. Dans l'ensemble, la décomposition rapide de l'humus combinée à celle plus lente, toutes deux réalisées par des processus microbiens, conduisent à une durée de séjour moyenne de l'ordre de 20 à 30 ans pour le carbone dans la plupart des sols. Ces microbes (considérés pour leur activité respiratoire) sont très sensibles à la teneur en carbone organique du sol, ainsi qu’à la température, la teneur en eau et respirent plus rapidement à des concentrations plus fortes de carbone, à des températures plus élevées et dans des conditions plus humides.