Para aclarar el mecanismo fisiológico de las diferentes profundidades del agua subterránea que afectan la evapotranspiración de la soja, las características fotosintéticas y el rendimiento, se realizó un experimento de campo con cuatro niveles de profundidad del agua subterránea (1 m (D1), 2 m (D2), 3 m (D3) y 4 m (D4)) a través del sistema de simulación del agua subterránea en 2021 y 2022. En este estudio, se realizó un análisis cuantitativo sobre la recarga del agua subterránea y la demanda de riego y evapotranspiración (ET) de los campos de soja con diferentes tratamientos, y se exploraron los efectos de diferentes tratamientos en el índice de área foliar de la soja (LAI), índice de contenido de clorofila (SPAD), radiación fotosintéticamente activa interceptada (IPAR), parámetros de intercambio gaseoso fotosintético, acumulación de materia seca (DMA) y rendimiento. Los resultados mostraron lo siguiente: (1) La profundidad del agua subterránea afectó la ET de la soja y la fuente de ET. Con el aumento de la profundidad del agua subterránea, la recarga del agua subterránea y su contribución a la ET disminuyeron gradualmente, pero la cantidad de riego requerida aumentó gradualmente, lo que resultó en la ET como D1 > D4 > D2 > D3. (2) El LAI, SPAD e IPAR de la soja fueron afectados significativamente por las diferentes profundidades del agua subterránea, de las cuales el tratamiento D1 siempre mantuvo el máximo, seguido por el tratamiento D4, y el tratamiento D3 fue el mínimo. Los parámetros de intercambio gaseoso fotosintético bajo diferentes tratamientos cambiaron de manera sinérgica, mostrando diferencias significativas en las etapas de floración y formación de vainas, notablemente D1 > D4 > D2 > D3. La DMA y el rendimiento de la soja disminuyeron primero y luego aumentaron con el aumento de la profundidad del agua subterránea, y la DMA y el rendimiento promedio bajo el tratamiento D1 aumentaron en un 27,71%, 46,80% y 22,82% y 20,29%, 29,91% y 12,83% en los dos años, respectivamente, en comparación con los tratamientos D2, D3 y D4. (3) El modelo de ecuaciones estructurales demostró que la profundidad del agua subterránea afectaba indirectamente al crecimiento del área foliar de la soja al afectar la recarga del agua subterránea, lo que a su vez regulaba la ET de la soja y la capacidad fotosintética y afectaba en última instancia la DMA y el rendimiento. Los resultados anteriores mostraron que en el caso de una profundidad de agua subterránea superficial (D1), la mayor recarga de agua subterránea promovió el crecimiento del área foliar de la soja y la síntesis de clorofila, aumentó la absorción y utilización de la radiación solar. Y mejoró las condiciones de los estomas de las hojas, aceleró el intercambio de gases entre la planta y la atmósfera, mejoró la capacidad de producción fotosintética y la ET y logró una DMA y un rendimiento máximos. El crecimiento de las hojas y la fotosíntesis de la soja disminuyen con el aumento de la profundidad del agua subterránea. En el caso de una profundidad de agua subterránea profunda (D4), el riego máximo mejoró el crecimiento y el rendimiento fotosintético de las hojas de soja, lo que fue favorable para la ET, y finalmente condujo a aumentos en la DMA y el rendimiento.