El desequilibrio de nutrientes en el suelo y la disminución de la diversidad microbiana amenazan la sostenibilidad a largo plazo de la producción de cultivos en la agricultura intensiva. Los fertilizantes orgánicos ofrecen un medio prometedor para mejorar las interacciones suelo-microbio-planta, sin embargo, los efectos combinados del tipo de fertilizante y la tasa de aplicación sobre la función del suelo y la productividad de los cultivos siguen siendo insuficientemente comprendidos. En este estudio, investigamos las respuestas agronómicas y ecológicas del tomate de invernadero (L.) a tres fertilizantes orgánicos: fertilizante de calcio de hueso (BCF), fertilizante de lodo de hueso (BMF) y fertilizante bio-orgánico (BOF), cada uno aplicado en cuatro tasas (7500, 15,000, 30,000 y 45,000 kg·ha). La tasa más alta de BOF probada (45,000 kg·ha) aumentó significativamente la fotosíntesis neta en un 29.5%, la conductancia estomática en un 50.0% y el rendimiento de fruta en un 40.8% en comparación con el control sin fertilizar. También mejoró la materia orgánica del suelo en un 42.6% y el nitrógeno total en un 82.0%, mientras aumentaba la abundancia relativa de Proteobacteria, un filo estrechamente asociado con el ciclo de nutrientes y la promoción del crecimiento de las plantas. El modelado de redes y caminos reveló que los cambios en la diversidad microbiana estaban positivamente asociados con la mejora de las propiedades del suelo, que a su vez se vincularon a una mayor eficiencia fotosintética y formación de rendimiento, sugiriendo un posible camino mediado por el microbioma desde la fertilización hasta la productividad. Estos efectos fueron estadísticamente consistentes en los puntos finales medidos. Nuestros hallazgos destacan que optimizar tanto el tipo como la tasa de fertilizante orgánico, particularmente el fertilizante bio-orgánico en condiciones de invernadero, puede mejorar simultáneamente la fertilidad del suelo, la función microbiana y el rendimiento de los cultivos. Este estudio proporciona un marco basado en evidencia para estrategias de fertilización de precisión destinadas a mejorar la resiliencia del agroecosistema y avanzar en la producción sostenible de tomates.