El estrés por sequía es una de las principales limitaciones para la producción agrícola global. Aumentar la eficiencia en el uso del agua y nitrógeno (N) en los agroecosistemas de tierras secas para mantener una alta producción agrícola son responsabilidades clave para garantizar la seguridad alimentaria, especialmente en la región semiarida del Llanura de Loess de China, ya que es una de las áreas de producción de granos más importantes en China. El impacto de la urea de liberación controlada (CRU) en el contenido de agua del suelo, actividades enzimáticas del suelo, contenido de N en el suelo, acumulación de biomasa, rendimiento de granos, eficiencia en el uso del agua (WUE) y eficiencia en el uso agronómico del fertilizante de N (AEN) fueron examinados en la producción de maíz en la Llanura de Loess de secano durante 2020-2021. Los tratamientos de campo de dos temporadas de crecimiento en la Estación Agroecológica de Zhengyuan, Qingyang, Gansu, que incluyen seis tratamientos de N, fueron investigados para el maíz: un control sin fertilización de N (CK) y cinco proporciones de aplicación de CRU (es decir, 0, 30, 50, 70 y 100% CRU) bajo una tasa de N de 225 kg/ha. Los resultados mostraron que, en promedio, las aplicaciones de CRU aumentaron significativamente la actividad enzimática del suelo relacionada con la conversión de N y mejoraron la acumulación de biomasa en un 4-11% en la etapa de espigado y en un 2-12% en la etapa de madurez, respectivamente. A medida que aumentaba la proporción de CRU, el número de granos por espiga, el peso de 100 granos y el índice de cosecha primero aumentaron y luego disminuyeron. El rendimiento de granos aumentó un 5,3%, 11,4%, 20,1% y 5,7% bajo 30, 50, 70 y 100% CRU, respectivamente, en comparación con la urea común. En comparación con la urea común, el 70% CRU combinado con el 30% de urea común logró el rendimiento más alto. Estos resultados indican que una fertilización óptima de N de liberación controlada aumenta el rendimiento y la eficiencia en el uso del agua y del nitrógeno del maíz, y el 70% CRU combinado con el 30% de urea común en una sola aplicación de fertilizante de nitrógeno en la siembra fue la proporción de aplicación óptima de urea de liberación controlada para aumentar la eficiencia en el uso del agua y del nitrógeno en los agroecosistemas de tierras secas. Los resultados de este estudio pueden proporcionar una base teórica para la fertilización eficiente del maíz en la Llanura de Loess semiarida de China.