A formação de uréia a partir da amônia gerada na deaminação detoxifica o organismo. Este processo envolve a conversão, em vários passos – ciclo da uréia - , de ornitina a arginina. Na verdade a liberação de uréia se dá no passo de regeneração da ornitina a partir da arginina.

O ciclo da uréia inicia-se no interior das mitocôndriais dos hepatócitos (cinco enzimas), porém três de seus passos ocorrem no citosol (mais duas enzimas), abrangendo o ciclo os dois compartimentos celulares.

Dois grupos amino são introduzidos no ciclo: o primeiro, derivado diretamente da amônia disponível no interior da mitocôndria, ou derivada da deaminação, ou ainda trazida do intestino - onde é produzida pela oxidação bacteriana de aminoácidos - pela via porta. Esta é empregada na síntese de carbamil fosfato junto com o HCO₃^- produzido pela respiração mitocondrial. O segundo grupo, é fornecido pelo aspartato gerado na mitocôndria por transaminação e transportado para o citosol.

O grupo carbamil tem um alto potencial de transferência, por isto é utilizado na transferência do grupo amino para a ornitina, iniciando o ciclo.

Antes que o ciclo possa prosseguir, a citrulina formada deve ser transferida ao citosol, porém, não é diluída no conjunto geral de metabólitos do citosol, e sim passada diretamente para o sítio ativo de uma molécula da argininosuccinato sintetase. Isto indica que as enzimas mitocondrias e citosólicas envolvidas no ciclo estão agregadas. Apenas a uréia é liberada na solução geral no interior citosólico.

O custo final é bastante alto, já que são necessários quatro fosfatos de alta energia, produzindo apenas uma molécula de uréia (vale lembrar que 4 ATP é todo o saldo da glicólise para uma molécula de glicose).

O Ciclo do Ácido Cítrico e o Ciclo da Uréia estão unidos

Vias alternativas para excreção de nitrogênio.

Sendo a uréia menos tóxica que a amônia, o gasto para sua produção é vantajoso pois permite que esta seja excretada com menores volumes de água do que a última, poupando a perda para os animais. Apenas as espécies aquáticas podem excretar diretamente amônia, pois a disponibilidade de água do meio permite sua rápida diluição, sem qualquer efeito tóxico. Mas a uréia é ainda inviável para aves – que, devido ao vôo, não devem armazenar tanta água, e répteis, que convivem com a escassez de água. Para contornar o problema, estes animais convertem o nitrogênio amino em ácido úrico, relativamente insolúvel e excretado nas fezes na forma de cristais semi-sólidos. Em suma, a síntese da uréia além de não ser a única via de excreção entre os diferentes organismos, também não é a mais comum.