Si bien los efectos del CO elevado (eCO) en los cultivos han sido ampliamente estudiados, las respuestas específicas de los cultivares y los impactos bajo concentraciones de CO más altas (>800 mol/mol) siguen siendo desconocidos. Aquí, abordamos estos dos aspectos para revelar los efectos del eCO (aproximadamente 900 mol/mol) en el rendimiento y la calidad de tres cultivares de trigo, Chinese spring (CS), Chuanmai 44 y Neimai 9. Los resultados indicaron que la tasa neta de fotosíntesis (Pn) y la eficiencia en el uso del agua (WUEi) de los tres cultivares aumentaron significativamente bajo una concentración de CO de 900 mol/mol. El CO elevado aumentó el peso de cien granos (HGW) de Chuanmai 44 (+32.51%, <0.05) y de Neimai 9 (+8.47% <0.05), pero tuvo poco efecto en el HGW de CS. La elevación del CO aumentó significativamente el contenido de N en el grano de CS (+7.27%, <0.05). El CO elevado mejoró la biosíntesis de aminoácidos en CS pero la suprimió en Chuanmai 44 y Neimai 9. No se produjeron cambios significativos en las concentraciones minerales del grano en CS y Chuanmai 44 bajo condiciones de eCO. Neimai 9 mostró disminuciones significativas en K y Mg, con reducciones no significativas en otros elementos. Los efectos del eCO en el rendimiento y la calidad del grano estuvieron estrechamente relacionados con los cultivares. Este estudio proporcionará información para comprender los efectos de la concentración de CO y las interacciones de los cultivares en el crecimiento de los cultivos y para seleccionar cultivares de trigo que puedan hacer frente al cambio climático futuro.