تشکیل لایه در نیتروژن‌دهی توسط یکسری از مناطق رشد ایجادشده روی جوانه‌های اولیه در سطح فولاد آغاز می‌شود. این مناطقِ رشد هسته در نهایت به چیزی که «لایة ترکیبی» یا «لایة سفید» شناخته می‌شود، تبدیل می‌شوند. این لایه معمولاً بسیار سخت و شکننده و شامل دو فاز مخلوط‌شده (نیتریدهای آهن ε و′ γ ) است. این لایه به داخل فولاد نفوذ نمی‌کند؛ بالای سطح باقی می‌ماند و با گذشت زمان ضخیم‌تر می‌شود. شماتیک نمونة نیتروژن‌دهی‌شده در شکل ۱ نشان داده شده است.
شکل ۱. شماتیک نمونة نیتروژن‌دهی‌شده
کربن موجود در فولاد مورفولوژی فرایند جوانه‌زایی را تغییر می‌دهد و با نیتریدهایی که زیر سطح تشکیل می‌شوند، یک فاز مخلوط ایجاد می‌کند. منطقه‌ای که بلافاصله زیر لایة سفید تشکیل می‌شود، «منطقة نفوذی» نامیده می‌شود. این منطقه از نیتریدهای پایدار تشکیل‌شده توسط واکنش نیتروژن با عناصر نیتریدزای موجود در فولاد ساخته شده است. زیر منطقة نفوذی، مغز فولاد است که معمولاً از مارتنزیت تمپرشده تشکیل شده است. همة سه منطقه شامل لایة سفید، لایة نفوذی، و مغز فولاد در شکل ۲ نشان داده شده است.
شکل ۲. لایة تشکیل‌شده در نمونة نیتروژن‌دهی‌شده
تشکیل نیتریدها با جوانه‌زایی′ γ در فصل مشترک سطح بالایی فولاد و اتمسفر نیتروژن‌دهی آغاز می‌شود. این فرایند تا هسته‌زایی ε در فصل مشترک ادامه می‌یابد. فرایندهای ذکرشده به‌طور شماتیک در شکل ۳ نشان داده شده است. نفوذ نیتروژن در لایة ترکیبی بسیار کندتر از مناطق زیرآن است. 
شکل ۳. هسته‌زایی نیتریدهای ′γ وε روی آهن
اثر کربن روی لایة ترکیبی کربن مقدار ′γ و ε تشکیل‌شده در ساختار سطح را تغییر می‌دهد. در نیتروژن‌دهی فولادی با مقدار کربن تقریباً %Wt4/0، مقادیر ′γ و ε تشکیل‌شده در فرایند نیتروژن‌دهی گازی تقریباً برابر خواهد بود. هرچه میزان کربن فولاد بیشتر باشد، فاز ε در لایة ترکیبی بیشتر است و هرچه مقدار کربن کمتر باشد، فاز ′γ بیشتر است. مقدار کربن موجود در فولاد تأثیر کمی در ضخامت لایة ترکیبی دارد؛ اگرچه مقدار کربن به‌طور قابل‌توجهی تعیین‌‌کنندة نوع و مقدار فازهای موجود در لایة ترکیبی خواهد بود. کنترل ضخامت لایة ترکیبی ضخامت لایة ترکیبی تا حد زیادی توسط تغییر روش فرایند قابل‌کنترل است. این روش‌ها مانند رقیق‌سازی در نیتروژن‌دهی گازی (روش دومرحله‌ای Floe) یا نیتروژن‌دهی پلاسمایی (یونی) است، کنترل بهتری روی ضخامت لایة سفید ارائه می‌کند. ضخامت لایة ترکیبی تحت‌تأثیر عواملی چون زمان، دما، و دیگر پارامترهای نیتروژن‌دهی است. فرمول ساده‌شدة هریس به‌عنوان یک راهنمای تقریبی می‌تواند برای محاسبة ضخامت لایة ترکیبی استفاده شود.
t × f √ = ضخامت لایه ترکیبی
که در آن، t زمان فرایند و f فاکتوری برحسب دماست. اینکه آیا لایة ترکیبی برای یک قطعه مضر است یا خیر، کاملاً به کاربرد قطعه و محیط کاری آن بستگی دارد. زیر لایة ترکیبی چه اتفاقی می‌افتد؟ در دما و زمان فرایند یکسان، لایة ترکیبی روی فولاد کربنی ساده همیشه ضخیم‌تر از فولاد آلیاژی خواهد بود. همچنین، متالورژی لایة ترکیبی و لایة نفوذی آن‌ها کاملاً متفاوت است. در دمای نیتروژن‌دهی، زیر ناحیة ترکیبی، نیتروژن در آهن α حل می‌شود و همچنین با عناصر آلیاژی مشخصی مثل آلومینیوم، مولیبدن، کروم، تنگستن، وابنادیم، و سیلسیوم (در صورت وجود) واکنش می‌دهد. همة این عناصر آلیاژی در فولاد، نیترید تشکیل می‌دهند. این منطقة تشکیل نیترید در زیر لایة ترکیبی، به‌عنوان لایة نفوذی شناخته می‌شود. نیتروژن شروع به واکنش با عناصری می‌کند که به‌راحتی نیتریدهای پایدار را تشکیل خواهند داد. این نیتریدها به‌خصوص نیتریدهای آلومینیوم مقادیر سختی بسیار بالایی دارند.