El maíz (L.) es un cultivo de importancia económica y nutricional a nivel mundial. Sin embargo, su productividad depende en gran medida de los insumos de nitrógeno (N), lo que a menudo resulta en una baja eficiencia en el uso del nitrógeno (NUE). Mejorar la NUE requiere una comprensión integral de los mecanismos bioquímicos y fisiológicos que impulsan la absorción y utilización de N. El estudio evaluó la heterosis de NUE de 7 líneas endogámicas y sus 12 híbridos en condiciones de bajo y alto N durante el crecimiento vegetativo temprano. Se analizaron variaciones genotípicas significativas en los rasgos utilizando análisis de varianza, análisis de componentes principales, correlación, regresión y modelado de ecuaciones estructurales. Los principales contribuyentes a la variación genética incluyeron el peso seco de la parte aérea, la acumulación de N y la NUE. Los híbridos demostraron una arquitectura radicular mejorada, actividades enzimáticas superiores de la reductasa de nitrato (NR) y la glutamina sintetasa (GS), y rasgos morfológicos mejorados, eficiencia fotosintética y acumulación de N, lo que resultó en una mayor producción de biomasa, acumulación de N y NUE en comparación con las líneas endogámicas. Entre los híbridos, Zheng58 x PH4CV mostró la mayor NUE, impulsada por una eficiente absorción de N, una robusta actividad enzimática y una considerable acumulación de N. La eficiencia de absorción de nitrógeno (NUpE) se correlacionó fuertemente con rasgos radiculares como la actividad (r = 0.80 ***), la longitud (r = 0.73 ***), el área superficial (r = 0.67 ***), la actividad de GS (r = 0.84 ***) y el peso seco (r = 0.92). De manera similar, la eficiencia de utilización de nitrógeno (NutE) se correlacionó positivamente con la actividad de NR en la parte aérea (r = 0.90 ***), la actividad de GS en la parte aérea (r = 0.56 ***), el área foliar (r = 0.73 ***), el peso seco de la parte aérea (r = 0.82 ***) y la acumulación de N en la parte aérea (r = 0.55 ***), particularmente en condiciones de alto N. Basándose en rasgos clave como el peso seco de la parte aérea, la acumulación de N y la NUE, los híbridos Zheng58 x PH4CV, 444 x PH4CV, 444 x MO17 y B73 x MO17 emergieron como genotipos eficientes en N, confirmados por sistemas radiculares contrastantes, un metabolismo de N mejorado y una NUE superior. Estos hallazgos revelan los roles fundamentales de la arquitectura radicular y el metabolismo de N en la optimización de la NUE, enfatizando los rasgos bioquímicos y fisiológicos cruciales para desarrollar híbridos de maíz altamente eficientes en N.