Esta reacción requiere la presencia de flavín mononucleótido, flavín adenín dinucleótido, nicotinamida adenina dinucleótido fosfato, tetrahidrobiopterina, además de la participación del grupo hemo y la calmodulina.

Hay tres isoformas conocidas, dos son constitutivas (CNOS) y la tercera es inducible (iNOS).

[5]​ Recientemente, la actividad de NOS se ha demostrado en varias especies bacterianas, incluyendo los mismos agentes patógenos conocidos como Bacillus anthracis y Staphylococcus aureus.

[6]​[7]​ Se ha demostrado que la NOS bacteriana (bNOS) protege contra el estrés oxidativo, los antibióticos diversos y la respuesta inmune.

NOS neuronal también realiza un papel en la comunicación celular y se asocia con la membrana plasmática.

[12]​ NOS endotelial (eNOS), también conocido como óxido nítrico sintasa 3 (NOS3), genera NO en los vasos sanguíneos y está involucrada con la regulación de la función vascular.

También comparten un dominio oxigenasa amino-terminal, que incluye un grupo prostético hemo, que está vinculado en el centro de la proteína a un dominio de unión a calmodulina.

Estas fueron clasificados originalmente como "constitutiva expresada" ("constitutively expressed") y "sensible a Ca2+", pero ahora se sabe que están presentes en diferentes tipos de células y que su expresión es regulada en virtud de determinadas condiciones fisiológicas.

Este proceso, conocido oficialmente como S-nitrosación (s-nitrosation), y mencionado por muchos en el campo como S-nitrosilación (s-nitrosilation), ha demostrado inhibir de forma reversible la actividad NOS3 en las células endoteliales vasculares.