El uso imprudente de agua y fertilizante para maximizar el rendimiento de los cultivos no solo conduce a la contaminación ambiental, sino que también causa enormes pérdidas económicas. Por esta razón, investigamos el efecto del nitrógeno (N) (N0 (0), N60 (60 kg ha), y N120 (120 kg ha)) en diferentes niveles de riego (I0 (0), I1200 (brotes 600 m ha + grano 600 m ha), e I1800 (brotes 900 m ha + grano 900 m ha)) en lino de aceite en la Meseta de Loess de China en 2019 y 2020. El objetivo fue establecer estrategias adecuadas de manejo de riego y fertilizantes que mejoren el rendimiento de grano (GY) del lino de aceite y maximicen la productividad de agua y N. Los resultados demostraron que la aplicación de riego y N y sus efectos de acoplamiento promovieron la acumulación de materia seca (DMA) y la síntesis de carbohidratos no estructurales (NSC), y aumentaron el GY del lino de aceite. Los contenidos de NSC en varios órganos del lino estaban estrechamente relacionados con el rendimiento de grano y los componentes del rendimiento. Un mayor NSC en los tallos fue propicio para aumentar la capacidad de sumidero (número efectivo de cápsulas por planta (EC) y peso de mil granos (TKW)), y el acoplamiento de riego y N afectó el GY al promover la síntesis de NSC. Se obtuvo un mayor GY por la interacción de riego y fertilizante N, con una tasa de aumento que varió del 15.84% al 35.40%. Además, en el aumento del rendimiento del lino de aceite, el 39.70-78.06%, 14.49-54.11%, y -10.6-24.93% fueron contribuidos por la aplicación de riego y nitrógeno y la interacción de riego y nitrógeno (I x N), respectivamente. El riego fue el principal factor para aumentar el GY del lino de aceite. Además, diferentes condiciones climáticas cambiaron la contribución del riego y N y su interacción al aumento del rendimiento en el lino de aceite. La sequía y las bajas temperaturas indujeron la síntesis de azúcar soluble (SS) y almidón (ST) para resistir un ambiente desfavorable, respectivamente. El modelo de ecuación estructural mostró que los factores clave para aumentar el GY del lino de aceite mediante riego y fertilización con nitrógeno fueron los aumentos diferenciales en DMA, EC y TKW. Los aumentos en EC y TKW se atribuyeron a la promoción de DMA y la síntesis de NSC en los órganos del lino de aceite por el riego, la fertilización con nitrógeno y sus efectos de acoplamiento. El tratamiento I1200N60 obtuvo una mayor eficiencia en el uso del agua (WUE) y productividad parcial del factor N (NPFP) debido a una menor evapotranspiración real (ETa) y una menor tasa de aplicación de N. Por lo tanto, se recomienda la estrategia de riego de 1200 m ha y aplicación de 60 kg ha de N para el lino de aceite en áreas semiáridas y similares para lograr un alto rendimiento de grano y un uso eficiente de los recursos.