La fertirrigación por microaspersión, una nueva forma de riego y fertilización, puede mejorar el rendimiento de grano (RG) y la eficiencia en el uso de nitrógeno (EUN) del trigo de invierno para cumplir con los requisitos de la agricultura sostenible. Con el fin de aclarar la base fisiológica detrás de las mejoras, se realizó un experimento de campo con un diseño de parcelas divididas durante las temporadas de crecimiento 2020-2021 y 2021-2022. La parcela principal abarcó dos modos de riego y fertilización, a saber, riego y fertilización convencionales (RFC) y fertirrigación por microaspersión (FMA), y las subparcelas incluyeron cuatro tasas de aplicación de nitrógeno (0, 120, 180 y 240 kg ha, denotadas como N0, N120, N180 y N240, respectivamente). Además, se realizó un experimento con trazador isotópico de nitrógeno para determinar las distribuciones de nitrógeno en el suelo. En comparación con los de RFC, el RG bajo FMA en N180 y N240 aumentó significativamente en un 9.09% y un 9.72%, lo que fue impulsado principalmente por aumentos en el número de granos (NG) y el peso de mil granos (PMG). El aumento en el PMG bajo FMA fue el resultado de la tasa de fotosíntesis neta significativamente aumentada en la etapa de llenado de granos. Notablemente, el número y el peso seco de los macollos ineficientes y el número de espigas con menos de 10 granos fueron significativamente menores bajo FMA que bajo RFC. Además, el experimento con trazador isotópico de nitrógeno reveló que el nitrógeno se concentró principalmente en las capas de suelo de 0-30 cm bajo FMA, lo que se ajusta bien a las distribuciones espaciales de las raíces y el agua, y posteriormente mejoró la EUN en N180 y N240. En conclusión, FMA mejoró tanto el RG como la EUN en el nivel N180 al optimizar la coordinación espaciotemporal de raíces-agua-nitrógeno y reducir el macollaje redundante.