Los efectos de la acumulación y translocación de nitrógeno (N) en la fotosíntesis han sido ampliamente reportados, mientras que los impactos de la acumulación de N, translocación y fotosíntesis en las mejoras simultáneas en el rendimiento de grano y calidad del gluten del trigo de secano aún permanecen poco claros. Por esta razón, se examinaron las relaciones entre la fotosíntesis, la eficiencia en el uso de N (NUE) y rasgos relacionados, el rendimiento de grano, la calidad del gluten y los rasgos relacionados de 11 genotipos representativos de trigo en los años de cultivo 2018-2021. Los resultados muestran que los pesos de grano por espiga representaron el 58.7% y el 42.4% de las variaciones genéticas en el rendimiento de grano y los contenidos de proteína en grano, respectivamente. Mientras tanto, la acumulación de N en la etapa de madurez causó una variación genética del 49.5% en los contenidos de proteína en grano. El índice de gluten de MY26 y NM101 disminuyó significativamente con una disminución en el número de granos por espiga en la temporada de cultivo 2018-2019. La precipitación reducida en un 53.8% en la temporada de cultivo 2019-2020 resultó en un aumento del 13.0% en el índice de gluten. CY25 y NM101 mostraron una alta calidad de gluten sin reducir el rendimiento debido a la alta tasa de fotosíntesis neta, gran tamaño de grano, gran índice de área foliar y alto número de granos por espiga, respectivamente. Nuestros resultados indicaron que aumentar el peso de grano por espiga y la acumulación individual de N en la etapa de madurez a través de la selección de genotipos para un gran tamaño de grano, gran índice de área foliar y alta tasa de fotosíntesis neta mejoró simultáneamente el rendimiento de grano y la calidad del gluten del trigo de secano. Además, el efecto de la interacción genotipo-ambiente en el índice de gluten estuvo relacionado con la translocación de N regulada por la senescencia del dosel, y la translocación de N fue afectada por el suministro de N fuente asociado con la tasa de fotosíntesis neta y las demandas de N sumidero en relación con el número de granos por espiga bajo condiciones de suelo de secano.