El nitrógeno es crucial para el crecimiento y desarrollo de las plantas, y mejorar la eficiencia en el uso del nitrógeno (EUN) es una estrategia viable para reducir la dependencia de insumos de nitrógeno y promover la sostenibilidad. Aunque los beneficios de la heterosis en el maíz son bien conocidos, los mecanismos fisiológicos subyacentes a este fenómeno en el maíz palomero son menos comprendidos. Nuestro objetivo fue investigar los efectos de la heterosis en los rasgos de crecimiento y fisiológicos en cuatro líneas de maíz palomero y sus híbridos bajo dos condiciones de nitrógeno contrastantes. Evaluamos rasgos morfo-agronómicos y fisiológicos como los pigmentos foliares, la eficiencia fotocanómica máxima del PSII y el intercambio de gases en las hojas. También se evaluaron componentes asociados con la EUN. La privación de nitrógeno causó reducciones de hasta el 65% en términos de arquitectura de la planta, 37% en términos de pigmentos foliares y 42% en términos de rasgos relacionados con la fotosíntesis. La heterosis tuvo efectos significativos en los rasgos de crecimiento, EUN y pigmentos foliares, particularmente en condiciones de bajo nitrógeno en el suelo. Se encontró que la eficiencia en la utilización del nitrógeno era el mecanismo que favorecía el rendimiento superior de los híbridos para la EUN. Los efectos genéticos no aditivos fueron predominantes en el control de los rasgos estudiados, lo que indica que explorar la heterosis es la estrategia más efectiva para obtener híbridos superiores que promuevan la EUN. Los hallazgos son relevantes y beneficiosos para los agricultores agro que buscan prácticas agrícolas sostenibles y una mayor productividad de cultivos a través de la optimización de la utilización del nitrógeno.