鳥氨酸循環主要在肝臟進行在肝細胞線粒體中由1分子NH3和1分子CO2在氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ催化下生成氨甲酰磷酸。此酶以N-乙酰谷氨酸為必要的輔助因子，精氨酸可促進N-乙酰谷氨酸的合成。通常進食蛋白質后，乙酰谷氨酸合成酶活性升高，產生較多的N-乙酰谷氨酸，增強氨甲酰磷酸的合成，從而調節肝中尿素生成。
氨甲酰磷酸和進入線粒體的鳥氨酸在鳥氨酸氨甲酰基轉移酶催化下生成瓜氨酸，即開始了鳥氨酸循環，生成的瓜氨酸轉運出線粒體而進入胞液，在供能條件下，可與天冬氨酸縮合成精氨琥珀酸，再裂解成精氨酸和延胡索酸，最后精氨酸經精氨酸酶催化，分解為鳥氨酸和最終產物尿素。鳥氨酸可進入線粒體再參與鳥氨酸循環，尿素則擴散人血，隨尿排出。
從尿素生成過程可見，尿素分子中的一個氨基來自游離氨，可由氨基酸脫氨基而來，或更多的由消化道吸收而來；另一個氨基來自天冬氨酸，但是各種氨基酸通過連續轉氨基作用，均可最終將氨基轉移到草酰乙酸而生成天冬氨酸，參與循環。
參與鳥氨酸循環的酶可按需要而誘導合成。在氨生成增加時，鳥氨酸循環的酶活性常顯著提高，例如蛋白質攝入增加、饑餓狀態、給予糖皮質激素所引起蛋白質分解增強等。