高粱对肥料的反应非常敏感，而且吸肥能力很强，每生产100千克高粱籽实需吸收氮2.6千克、磷1.36千克、钾3.06千克，其比例为1∶0.5∶1.2。合理施肥，满足高粱对营养的需要，可以显著地提高产量。
高粱整个生育期对养分的需求可以分为三个阶段。从出苗到第一片真叶展开前，主要是依靠种子中贮存的养分，以后随着幼根出现和叶片的伸展，开始进行光合作用和从土壤里摄取养分。高粱苗期生长缓慢，吸收养分较少。从出苗到拔节期吸收的氮、磷、钾仅占各生育期吸收总量的13.7％、12.0％和20.0％。但对养分却很敏感，苗期营养充足，特别是氮、磷充足，有利于根系生长，使根量增加，增强了抗旱性。对于分蘖品种来说，加强氮素营养可促进分蘖。因此，出苗后根据幼苗生长状况适时追肥是提高产量的措施。
高粱生长的中期，是生育最旺盛的时期，此时植株生长迅速，茎叶繁茂，对养分的需要量急剧增加。这一时期吸收养分的数量比苗期高3倍以上。从拔节至开花期对氮、磷、钾的吸收量占一生吸收总量的63.5％、86.5％和73.9％，养分的分配中心由茎叶转为幼穗。所以这一阶段的营养条件是决定产量的关键。
穗形成期氮、磷、钾都有重要作用。氮素供应充足时，可促使幼穗中形成更多的小穗，小穗中形成更多的小花。磷素充足可促进小花的形成，花粉和子房的发育正常，从而提高籽粒的数量。钾素在这个时期对于碳水化合物的形成和养分的运转有很大作用，能提高光合作用效率，并促进纤维形成，使茎秆坚韧，抗倒伏。
生育后期营养充足可使粒大而饱满。这个时期植株除了继续从土壤中吸收养分外，还依靠营养器官中积累的养分。开花至灌浆阶段吸收的氮、磷、钾占全生育期吸收总量的22.8％、1.5％和6.1％。在籽粒形成期适当供给氮素，可提高子实中蛋白质的含量，但北方地区过量施氮肥易引起高粱贪青晚熟。磷和钾对促进籽粒灌浆有良好作用，使营养器官中的含氮化合物迅速转化和转移，形成籽粒的内含物。