Drip fertigation (DF) is a widely used technology to increase grain yield with water and fertilizer conservation. However, the mechanism of high grain yield (GY) under DF is still unclear. Here, a four-year field experiment assessed the impacts of four treatments (i.e., conventional irrigation and nitrogen application, CK; drip irrigation with conventional nitrogen fertilization, DI; split-nitrogen fertigation with conventional irrigation, SF; and drip fertigation, DF) on maize phenology, leaf photosynthetic rates, grain filling processes, plant biomass, and GY. The results showed that DF significantly increased maize GY by affecting phenology, grain filling traits, aboveground biomass (BIO) accumulation, and translocation. Specifically, DF significantly increased leaf chlorophyll content, which enhanced leaf photosynthetic rates, and together with an increase of leaf area index, promoted BIO accumulation. As a result, the BIO at the silking stage of DF increased by 29.5%, transported biomass increased by 109.2% (1.2 t ha