Devolver la paja de cultivos al suelo puede potencialmente mejorar la salud del suelo y la producción de cultivos, facilitando la agricultura sostenible. Sin embargo, los efectos de la incorporación de paja con diversas técnicas de labranza combinadas con regímenes de nitrógeno (N) en el crecimiento de raíces de cultivos, y la utilidad de agua y N no se comprenden bien. En este estudio, la labranza rotativa (RTS) y la labranza de arado (PTS) para la incorporación de paja combinadas con regímenes de N (CK, no se aplicó N; LN, 112 kg N ha; MN, 187 kg N ha; y HN, 262 kg N ha) se utilizaron para determinar sus efectos en el agua del suelo y la disponibilidad de N mineral, distribución de raíces, absorción de N de cultivos, rendimiento de grano y eficiencia en el uso del agua (WUE) del maíz en el noreste de China. Los resultados demuestran que se obtuvieron niveles más altos de almacenamiento de agua del suelo antes de la siembra y evapotranspiración del campo (ET), y niveles más bajos de WUE y almacenamiento de N mineral del suelo antes de la siembra (Nmin-PS) a una profundidad de 0-60 cm con los tratamientos de RTS en comparación con los tratamientos de PTS. La adición de N mejoró Nmin-PS y el almacenamiento de N mineral del suelo después de la cosecha (Nmin-PH) a una profundidad de 60-100 cm en 2016, e incrementó WUE en comparación con CK. Los tratamientos de RTS mejoraron la densidad de peso de raíces (RWD) a una profundidad de 0-60 cm en 2016-2017, la densidad de longitud de raíces (RLD), la relación de densidad de longitud de raíces (RLDR), y la relación de densidad de peso de raíces (RWDR) a una profundidad de 30-60 cm en 2016, y RLD a una profundidad de 0-30 cm en 2017. La adición de N promovió RLD y RWD a una profundidad de 0-10 cm en 2016-2017. Los tratamientos de RTS redujeron la absorción de N de brotes antes de la floración (NPS) y el rendimiento de grano. La absorción de N de brotes y el rendimiento de grano se mejoraron en respuesta a niveles crecientes de N; sin embargo, el rendimiento de grano no mostró más mejoras significativas cuando la cantidad de N aplicada fue superior a 187 kg N ha (excepto para RTS en 2016). En general, la labranza con manejo de incorporación de paja y niveles de N afectaron notablemente las propiedades fisicoquímicas del suelo (como ET, Nmin-PS y Nmin-PH). Esto influyó indirectamente en el rendimiento de grano al mediar aún más en rasgos de raíces (RLD, RWD, RLDR y RWDR) con consecuencias para el NPS y la absorción de N de brotes después de la floración (NPOS) del maíz, que se encontraron que tenían el mayor impacto directo y positivo en el rendimiento de grano de maíz.