水稻在生长发育过程中，要从土壤中吸取氮、磷、钾、钙、镁、硅、铁、硫、硼等养分，其中以氮、磷、钾的需要量最多，最为重要，因而称为肥料三要素。在土壤中，除氮、磷、钾的含量远不能满足水稻的需要外，其他均可基本得到满足。所以，水稻的施肥一般指施用含有氮、磷、钾的肥料。
氮是构成水稻中蛋白质和叶绿素的主要成分。蛋白质是水稻长根、长叶、长蘖、长秆、长穗最基本的营养物质。氮肥不足，则根少根细，叶小叶黄，植株矮小，难以分蘖，穗短粒少，产量不高。
磷对蛋白质、碳水化合物、叶绿素的合成和转移都有很大的作用。施用磷肥可以旺根、促蘖、壮苗。缺乏磷肥，则根系生长差，分蘖少，叶片软弱，植株矮小。
钾对碳水化合物的合成和转移有重要作用，并能促进和协调对氮、磷的吸收，使叶色青翠，光合作用增强，茎秆粗壮和提高抗倒抗病的能力。缺钾，则叶尖和叶片边缘首先发黄，并出现缺钾病斑，而致根叶早衰。
氮、磷、钾对水稻生长发育缺一不可，在生产中要配合施用。偏重氮肥，忽视磷肥或钾肥的做法是不对的，会造成禾苗营养失调，难于高产。
各种农家肥、绿肥、土杂肥，均属有机质肥，一般都含有氮、磷、钾、钙、镁等多种肥分;肥效比较缓慢，不易造成禾苗暴生暴长，施用比较安全，且有改良土壤等优点。但由于肥效较慢，往往不能满足禾苗生长的急需，造成欲速不易，欲止不得，难操主动。各种化学肥料的优缺点正好和有机肥相反。所以，在生产上应将有机肥与化学肥料(又叫无机肥)配合使用。
水稻对氮、磷、钾肥的需要是有一定数量范围的。肥料少，水稻生长量不足，产量不高;肥料过多则叶片软弱徒长，田间荫蔽，病虫严重，往往造成“欢笑禾苗啼哭谷”的结果。
据科学分析，每生产100斤稻谷，要从土壤中吸取纯氮1.7～2.5斤，磷0.9～1.3斤，钾2～2.3斤。在生产实践中，水稻高产单位的施肥情况也大致是这样。如南海县大沥公社勒边生产队，1981年晚造种植翻秋品种“铁秋15号”，每亩施基肥猪粪500斤，花生麸20斤，过磷酸钙30斤，碳酸氢铵30斤;追肥共施尿素24斤，复合化肥4斤，氯化钾15斤。基肥和追肥折算约为：氮20斤，磷7斤，钾11斤，亩产干谷890斤。总结普遍的经验，按亩产稻谷800～900斤，大约要施纯氮18～20斤;亩产900～1000斤，大约要施纯氮20～25斤。磷、钾肥要相应配合。
为便于施肥技术的掌握运用，一般将插植后的水稻划分为前、中、后三个时期。
前期：从移植后至有效分蘖期，约插后二十天内(品种生育期长短、插植疏密有所不同)。这一时期的中心是解决穗数问题，除插植的基本苗外，还要有一定数量的分蘖，才有利于高产。这样，就要早出分蘖，多出有效分蘖，争取在早期有较大的生长量，达到茎秆粗壮，为穗多、穗大、粒多打好基础。
中期：从有效分蘖终止期至减数分裂期以前，即从插后大致二十天开始至顶叶(剑叶)全出时为止。中期要协调好从营养生长到生殖生长的转折，注意控制茎叶的过分伸长和无效分蘖的发生。这一时期幼穗伸长、茎秆拔节和最后几片叶子成长，都需要大量养分，是水稻一生中生长量最大的时期。既要维持一定的氮素水平，又要适当制水制肥，适当控制生长，要做到“封行不封顶”，以改善田间的通风透光条件，为延长后期根、叶功能打好基础。
后期：从减数分裂期至完熟期。这一时期的中心是养根保叶。一方面要维持较多的青叶数，另一方面又要维持有较高的光合能力，以制造较多的碳水化合物，供谷粒充实的需要，达到谷粒充实饱满。
前、中、后期的划分与水稻叶色乌、赤、青的变化是相一致的。乌是指叶片的颜色由淡转浓的表现;赤是指叶片的颜色由浓转淡的表观。据潮汕经验和省农科院的研究，叶色由淡至浓划分为六级：青黄、绿豆青、淡青、绿青、浅乌和大乌。其中以绿豆青、淡青、绿青和浅乌四级为正常的叶色。大乌是施肥过头的表现，青黄是缺肥缺水的象征。在插秧后的有效分蘖期，要达到浅乌，据试验，在分蘖盛期因氮素不足而不现乌的禾苗，不但分蘖少，穗数不足，而且每穗粒数也减少。因为组成分蘖最基本的物质是蛋白质，而蛋白质的合成主要靠氮素，氮素越多则叶绿素的含量越多，叶色就表现出乌来了。从无效分蘖期开始，控制氮肥的施用，就在于抑制无效分蘖的发生，并通过晒田减少禾苗对氮素的吸收。这样，叶绿素的含量便相对地减少，禾苗叶色也就变淡了(通称中期转赤)。同时也可以达到茎秆壮实，叶片厚直，增强抗虫，抗病和抗倒的能力。到孕穗期至抽穗前后，禾苗又迫切需要氮素和水分，叶绿素的含量又跟着提高，又表现出乌来，这对水稻抽穗灌浆都有利。这时以绿青为好，如出现浅乌，表明氮肥过多，容易招致病虫为害。