Mantener la viabilidad a largo plazo de un sistema de cultivo de trigo-maíz, particularmente la mejora sincrónica de la producción de cultivos y la captura de carbono orgánico del suelo (COS), es crucial para garantizar la seguridad alimentaria en la Llanura del Norte de China. Se llevó a cabo un experimento de campo en el que el trigo-maíz se consideró una unidad de fertilización integral en la provincia de Shanxi, China, adoptando un diseño de parcelas divididas con diferentes proporciones de distribución de fertilizantes de fósforo (P) y potasio (K) entre las temporadas de trigo y maíz en la parcela principal (A) (una proporción de 3:0, A1; una proporción de 2:1, A2) y diferentes tasas de aplicación de nitrógeno puro (N) durante todo el período de crecimiento del trigo y el maíz (B) (450 kg·ha, B1; 600 kg·ha, B2). Además, no se utilizó fertilización durante todo el período de crecimiento del trigo y el maíz para el control (CK). Los hallazgos mostraron que el tratamiento A2B1 llevó a la mayor respuesta, con un rendimiento promedio de trigo de 7.75 t·ha y un rendimiento promedio de maíz de 8.40 t·ha durante los últimos 9 años. También se observaron el mayor contenido de COS (15.13 g·kg), almacenamiento (34.20 t·ha) y captura (7.11 t·ha) bajo el tratamiento A2B1. Tanto el aumento del rendimiento de los cultivos como la captura de COS resultaron de mejoras en la entrada de carbono (C) acumulativa, nutrientes del suelo y estequiometría bajo el tratamiento A2B1. Se confirmó que el nitrógeno total (NT), el nitrógeno hidrolizable en álcali (NA), el fósforo disponible (AP), el potasio disponible (AK) y las proporciones de C:K, N:K y N:P tuvieron efectos positivos en el rendimiento de los cultivos a través de los componentes lábiles del COS y en la captura de COS a través de la biomasa microbiana. Para concluir, nuestros hallazgos destacan la urgente necesidad de optimizar las estrategias de manejo de fertilizantes para mejorar la producción de cultivos y la captura de COS en la Llanura del Norte de China.