Phân tích trình tự rRNA 16s phylogenetically đặt Nitrobacter trong lớp Alphaproteobacteria. Các phép đo khoảng cách tiến hóa theo cặp trong chi là thấp so với các phép đo được tìm thấy trong các chi khác, và nhỏ hơn 1%.[6] Nitrobacter cũng liên quan chặt chẽ với các loài khác trong phân khu alpha, bao gồm cả loài Rhodopseudomonas palustris, kết nối gốc Bradyrhizobium japonicum và Blastobacter denitrificans, và các mầm bệnh ở người Afipia felis và Afipia clevelandensis.[6] Vi khuẩn trong chi Nitrobacter được cho là đã xuất hiện nhiều lần từ một tổ tiên quang hợp, và đối với các chi và các loài nitrat hóa riêng lẻ, có bằng chứng cho thấy kiểu hình nitrat hóa tiến hóa tách biệt với các vi khuẩn quang hợp.[6]

Tất cả các sinh vật nhân sơ nitrit-oxy hóa đã biết được giới hạn trong một số ít các nhóm phát sinh loài. Điều này bao gồm các chi Nitrospira trong ngành Nitrospirae,[7] và chi Nitrolancetus từ ngành Chloroflexi.[8] Trước năm 2004, quá trình oxy hóa nitrit được cho là chỉ xảy ra trong Proteobacteria; có khả năng điều tra khoa học sâu hơn sẽ mở rộng danh sách các loài nitrat hóa đã biết.[9] Sự đa dạng hóa thấp của các loài oxy hóa nitrit tương phản với các quá trình khác liên quan đến chu kỳ nitơ trong đại dương, chẳng hạn như khử nitơ và cố định đạm, một phạm vi đa dạng của các đơn vị phân loại thực hiện các chức năng tương tự.[8]