Las entradas exógenas de carbono orgánico (C) y su posterior transformación microbiana y mineral afectan el proceso de acumulación del pool de carbono orgánico del suelo (SOC). Sin embargo, existen lagunas de conocimiento sobre cómo diferentes formas a largo plazo de incorporación de paja de cultivo (devolución directa de paja o pirólisis a biocarbón) modifican la composición y estabilización del SOC. Este estudio investigó, en un experimento de campo a largo plazo de 13 años, las fracciones funcionales y la composición del SOC y la protección del C orgánico por minerales de óxido de hierro (Fe) en suelos enmendados con paja o biocarbón. Bajo la misma entrada de C, la acumulación de SOC se incrementó tanto con la devolución directa de paja (en un 43%) como con la incorporación de biocarbón (en un 85%) en comparación con la fertilización convencional no enmendada, pero a través de diferentes vías. El biocarbón tuvo una mayor eficiencia en aumentar el SOC a través de entradas estables de C exógeno e inhibición de la respiración del suelo. Además, los suelos enmendados con biocarbón contenían 5,0 veces más SOC en materia orgánica particulada (POM) y 1,2 veces más en materia orgánica asociada a minerales (MAOM) en relación con los suelos fertilizados convencionalmente. Comparativamente, aunque la magnitud del efecto fue menor, el CO derivado de la paja se preservó preferentemente en mayor medida en el MAOM. La incorporación de paja aumentó el contenido de nutrientes del suelo y estimuló la actividad microbiana, lo que resultó en mayores aumentos en la acumulación de C necromasa microbiana en POM y MAOM (en un 117% y 43%, respectivamente) en comparación con el biocarbón (en un 72% y 18%). Además, la incorporación de paja promovió la acumulación de óxidos de hierro poco cristalinos (Feo) y complejos orgánicamente (Fep), y ambos estuvieron significativa y positivamente correlacionados con MAOM y SOC. Los resultados abordan los efectos a escala decadal de la aplicación de biocarbón y paja en la formación del pool de carbono orgánico estable en el suelo, y comprender los mecanismos causales puede permitir que las prácticas de campo maximicen el contenido de SOC. Estos resultados tienen grandes implicaciones para predecir mejor y controlar con precisión la respuesta de los pools de SOC en agroecosistemas a futuros cambios y perturbaciones, y para mantener el balance regional de C.