A medida que la población aumenta y los extremos climáticos se vuelven más frecuentes, la presión sobre el suministro de alimentos aumenta. Una mejor comprensión de la influencia de las variaciones climáticas en el rendimiento de los cultivos en China sería de gran beneficio para la seguridad alimentaria global. En este estudio, se utilizaron datos meteorológicos diarios en cuadrículas y datos anuales de rendimiento a nivel de condado para cuantificar la sensibilidad climática de los rendimientos de maíz, arroz y trigo de primavera, e identificar la relación de variación espaciotemporal entre el clima y los rendimientos desde 1980 hasta 2014. Los resultados mostraron que el arroz y el maíz eran más sensibles a las variaciones climáticas que el trigo de primavera, tanto espacial como temporalmente. Se encontró que la radiación fotosintéticamente activa (RPA) era beneficiosa para el arroz en el noreste de China y la cuenca del río Yangtsé, así como para el maíz en el sur y el trigo de primavera en Xinjiang, pero no para el arroz en el sur del río Yangtsé y el trigo de primavera en la costa sureste. El desplazamiento del centroide de temperatura fue el principal factor impulsor que causó el movimiento del centroide de los tres cultivos. Por cada desplazamiento de 1 km del centroide de temperatura, los centroides de rendimiento de maíz y arroz se movieron 0.97 km y 0.34 km, respectivamente. Estos hallazgos mejoran nuestra comprensión de los impactos de las variaciones climáticas en los rendimientos agrícolas en diferentes regiones de China.