La optimización agronómica integrada puede mejorar sinérgicamente los rendimientos de los cultivos y la eficiencia en el uso de recursos. Esta estrategia incorpora una fecha de siembra adecuada, densidad de siembra y gestión de fertilización e irrigación adaptadas al entorno local. Sin embargo, hay una escasez de investigaciones sobre cómo las prácticas de optimización agronómica integrada mejoran la productividad del trigo y la eficiencia en el uso del agua (EUA) al mejorar la distribución de raíces de la población y la capacidad de producción del dosel. Por lo tanto, se llevó a cabo un experimento de campo de dos años en la Llanura del Norte de China. El experimento involucró tres tratamientos de prácticas agronómicas integradas con cuatro repeticiones: la práctica agronómica del agricultor local (FP); la práctica agronómica de alto insumo (HP), que tenía como objetivo explorar el potencial de rendimiento del trigo sin importar los costos de insumos; y la práctica agronómica de alto insumo optimizada (OP), que se adaptó a las condiciones locales para renovar el sistema de producción de trigo. En comparación con FP y HP, OP implicó una fecha de siembra más tardía, una mayor densidad de siembra y menores insumos de fertilizante N o riego. Los resultados mostraron que OP mejoró significativamente el rendimiento de grano, la EUA, la productividad del fertilizante N (PFN) y el beneficio neto en comparación con FP (< 0.05). Aunque el rendimiento de OP fue un 4.25% inferior al de HP, logró un aumento del 22.99% sobre FP. En comparación con HP, OP aumentó la EUA promedio, la PFN y el beneficio neto en un 3.08%, 25.68% y 9.12%, respectivamente. Durante los 2 años, OP promovió raíces más profundas y una mayor densidad de longitud de raíces, lo que mejoró la absorción de agua del suelo y N. Además, la alta transpiración bajo OP, necesaria para la productividad del dosel, se mantuvo mediante una extracción eficiente de agua del suelo profundo. Adicionalmente, la reducción en la pérdida de evaporación no productiva se atribuyó al aumento de la densidad de población y la reducción del riego. Además, OP mantuvo una tasa fotosintética del dosel más alta durante un período más prolongado, facilitada por una mayor absorción de N posterior a la anthesis. Estas mejoras en la adquisición de recursos, combinadas con una capacidad fotosintética sostenida, llevaron en última instancia a una utilización más eficiente del agua y N y a un alto rendimiento de grano. Esto indica que la optimización integrada de las prácticas agronómicas utilizadas bajo OP puede mejorar sinérgicamente el rendimiento del trigo, la EUA y la PFN. Esto se logró ampliando y profundizando la distribución de raíces de la población mientras se apoyaba una alta fotosíntesis del dosel. Nuestros hallazgos pueden proporcionar información práctica para establecer sistemas de producción de trigo de alto rendimiento, eficientes y rentables en la región.