Os rizóbios realizam a fixação biológica do nitrogênio (FBN) dentro de nódulos formados nas raízes de plantas de feijão-fava e nestes. Além da FBN, os nódulos são sítios de processos bioquímicos que podem levar a formação de espécies reativas de oxigênio que, em excesso, podem diminuir a eficiência da simbiose rizóbio-leguminosa. Neste contexto, o presente estudo objetivou avaliar a capacidade de nodulação e a FBN bem como as trocas gasosas, os pigmentos fotossintéticos, os solutos orgânicos e o metabolismo antioxidativo em nódulos de rizóbios autóctones de plantas de feijão-fava. O experimento foi conduzido em casa de vegetação com delineamento inteiramente casualizado em esquema fatorial 7x2x2+2 (sete isolados de rizóbio; duas variedades de feijão-fava; dois períodos de coleta; duas testemunhas [nitrogenada e absoluta]) com três repetições. Registrou-se incrementos significativos nas variáveis analisadas quando as plantas foram inoculadas com os rizóbios nativos em relação às testemunhas. Plantas de feijão-fava var. crioula boca de moça e branca inoculadas com ISOL-56 e ISOL-57, respectivamente, apresentaram os teores mais elevados de clorofila. O nitrogênio total foi superior nas plantas de feijão-fava inoculadas com ISOL-59 e ISOL-56 no florescimento e enchimento de grãos, respectivamente. A concentração de amônia livre foi maior no período de enchimento de grãos, principalmente quando as plantas foram inoculadas com ISOL-01 ou ISOL-57. As plantas de feijão-fava inoculadas com rizóbio ISOL-59 apresentaram teores elevados de leghemoglobina em relação aos demais tratamentos. O nível de peróxido de hidrogênio nos nódulos das plantas inoculadas com rizóbios foi superior no enchimento de grãos em relação ao período de florescimento. A atividade de POX e SOD foi maior nas plantas de feijão-fava inoculadas com ISOL-20 e ISOL-40 no florescimento, enquanto que a atividade de CAT foi aumentada nas plantas de feijão-fava inoculadas com ISOL-01, ISOL-20 e ISOL-57. Conclui-se que os rizóbios nativos foram eficientes em formar nódulos radiculares ativos e realizar a FBN e ainda contribuíram positivamente para a manutenção metabólica de plantas de feijão-fava.