Uno de los desafíos de la industria alimentaria es mejorar la calidad del pan desde un punto de vista nutricional sin afectar negativamente las características sensoriales y las decisiones de los consumidores sobre la elección del producto. Este estudio tuvo como objetivo evaluar las características de horneado del pan de trigo suplementado con harina de quinoa (HQ) de tamaños de partículas grandes, medianas y pequeñas en dosis típicas previamente establecidas en base a un proceso de optimización, y evaluar el pan óptimo desde un punto de vista físico, textural, nutricional y sensorial. Los resultados mostraron una disminución en el índice de número de caída, la absorción de agua, la estabilidad de la masa, la velocidad de debilitamiento de las proteínas, la extensibilidad de la masa y las conformidades de recuperación-creep para las muestras compuestas óptimas de trigo-quinoa con tamaños de partículas grandes y medianas; mientras que para las muestras con tamaños de partículas pequeñas se registró una tendencia opuesta, con la excepción de la extensibilidad de la masa. Los parámetros de fermentación de la masa y el volumen del pan aumentaron para todas las formulaciones óptimas, mientras que la firmeza disminuyó en comparación con el pan de trigo. Todas las muestras de pan óptimas presentaron un perfil nutricional mejorado dependiendo del tamaño de la partícula. El contenido de proteínas fue hasta un 19% más alto, las cenizas hasta un 13.8%, y los lípidos hasta quince veces más altos. También se obtuvo un enriquecimiento notable en minerales (principalmente K, Mg, Na, Zn, hasta 2.3 veces) y aminoácidos esenciales (con un 13.53%) para todos los panes óptimos. Desde un punto de vista de aceptabilidad, la puntuación más alta (8.70) se registró para el pan óptimo con una HQ de tamaño de partícula mediana. Estos hallazgos ofrecen a los procesadores nueva información que será útil para diversificar los productos de panadería con un perfil nutricional mejorado.