La promoción adecuada de un sistema de raíces profundas es importante para el cultivo de maíz con el fin de mejorar la eficiencia en el uso del agua en el árido y semiárido Plateau de Loess. Aquí, se realizó un experimento de campo para evaluar el efecto de la urea de liberación controlada combinada y la urea normal en el crecimiento de raíces y la extracción de agua del maíz en campos de secano. El maíz en el tratamiento de urea de liberación controlada combinada y urea normal tuvo sistemas de raíces más grandes en comparación con aquellos en el tratamiento de urea normal y sin aplicación de N. En comparación con el tratamiento de urea, la urea de liberación controlada combinada y la urea normal avanzaron la densidad de longitud de raíces y la densidad de peso de raíces en la capa de suelo de 0-10 cm en la etapa R1 en un 30.99% y 45.03% en 2016 y en un 20.54% y 19.13% en 2017. La densidad de longitud de raíces también aumentó en la etapa de dentado (R5) en un 52.05% y 47.75% en 2016 y 2017, y la densidad de peso de raíces aumentó en un 19.58% en 2016. La urea de liberación controlada combinada y la urea normal promovieron la producción de raíces finas y la distribución de raíces, así como disminuyeron el almacenamiento de agua en el suelo en la capa profunda en la etapa R5. El rendimiento de grano se correlacionó positivamente con la densidad de longitud de raíces y la densidad de peso de raíces en la capa superficial en la etapa de espigado (R1) y en todo el perfil del suelo en la etapa R5, lo que sugiere que un mejor manejo del sistema de raíces es útil para aumentar el rendimiento de los cultivos de grano. Por lo tanto, este trabajo demuestra que el uso combinado de urea de liberación controlada y urea normal para obtener rendimientos más altos de cultivos podría atribuirse a un aumento en la extracción de agua al optimizar la morfología y distribución de raíces de maíz en la tierra de secano del Plateau de Loess.