La escasez global de agua se está intensificando, y la agricultura sigue siendo el principal consumidor de agua dulce. Muchos estudios han evaluado la productividad del agua agrícola (WP) en las principales regiones agrícolas. Si bien estudios anteriores han evaluado principalmente la eficiencia general o cultivos individuales, las dinámicas específicas de los cultivos dentro de los sistemas de doble cultivo siguen siendo insuficientemente comprendidas. Este estudio cuantifica los patrones espaciales y los cambios por etapas en la WP del trigo de invierno y el maíz de verano en la Llanura del Norte de China, basándose en cinco años representativos (2000, 2005, 2010, 2015 y 2019) y examina sus impulsores climáticos y antropogénicos. Se utilizó el modelo de Detector Geográfico Basado en Parámetros Óptimos (OPGD) para evaluar el poder explicativo de los factores influyentes, y se aplicó el modelo de Regresión Geográficamente Ponderada a Múltiples Escalas (MGWR) para capturar relaciones espacialmente heterogéneas. La WP del trigo varió de 0.56 a 1.30 kg m-3 y mostró una tendencia creciente significativa, mientras que la WP del maíz varió de 0.89 a 1.72 kg m-3. Tanto los factores climáticos como los antropogénicos exhibieron una heterogeneidad espacial pronunciada. Pekín y Tianjin fueron clasificados como zonas dominadas por factores antropogénicos, mientras que varias ciudades en Henan mostraron impulsores dominantes específicos de cultivos. La aplicación de fertilizantes se asoció negativamente con la WP en múltiples regiones, lo que indica una disminución de la eficiencia de insumos bajo una gestión intensiva. Estos hallazgos apoyan la zonificación de riego y estrategias de asignación de agua diferenciadas, contribuyendo a la intensificación sostenible y al progreso hacia los objetivos relacionados con el agua (ODS 6) y la seguridad alimentaria (ODS 2) en regiones de doble cultivo intensivo.