Se realizaron estudios de campo en la Llanura del Norte de China (NCP) durante la temporada 2023-2024 para investigar el microclima vertical, el rendimiento y las características relacionadas con el rendimiento del trigo de invierno durante la etapa de llenado de grano bajo siembra directa sin labranza y labranza convencional. El objetivo era comparar las diferencias en el microclima entre los dos métodos de labranza en los campos de trigo y el impacto del microclima en el rendimiento. Los resultados indicaron que, en comparación con la labranza convencional, la siembra directa sin labranza redujo la temperatura del aire e incrementó la humedad relativa del aire a 20 cm y 100 cm sobre el suelo durante el período de llenado de grano de trigo. El contenido de humedad del suelo a 20 cm bajo el suelo bajo siembra directa sin labranza fue mayor que bajo labranza convencional durante la etapa temprana de llenado de grano. Siete días antes de la cosecha de trigo, el peso seco por planta y el peso seco por espiga fueron significativamente mayores bajo siembra directa sin labranza que bajo labranza convencional. En consecuencia, el peso de mil granos de siembra directa sin labranza fue significativamente mayor que el de la labranza convencional, con un aumento del 7,9%. El número de espiguillas estériles de trigo bajo siembra directa sin labranza fue significativamente menor que bajo labranza convencional. Además, el número de granos por espiga fue mayor que el de la labranza convencional. Aunque el número de espigas cosechadas bajo siembra directa sin labranza fue un 10,8% menor que bajo labranza convencional, el aumento en el peso de mil granos y el número de granos por espiga compensaron la reducción en el número de espigas cosechadas. Como resultado, el rendimiento de grano del trigo de invierno bajo siembra directa sin labranza fue mayor que el de la labranza convencional, aumentando en un 2,7%. Por lo tanto, adoptar la siembra directa sin labranza en la NCP es favorable para aumentar la producción y eficiencia del trigo de invierno, así como para apoyar el desarrollo agrícola sostenible.