根据芝麻需肥较多，而生育期又较短的特点，应重施底肥。底肥一般用腐熟的堆厩肥，人畜粪和饼肥等有机肥为好，根据肥料质量、土壤供肥能力和产量水平等确定合理的用肥量。一般每公顷施农家肥22500～30000千克、磷肥225～300千克、草木灰750千克或钾肥75千克，播种后施入畜粪水22500千克左右。
由于芝麻是浅根系植物，大约90％的根量分布在9.9～16.5厘米土层内。因此，底肥应浅施。整地时，均匀撒施有机肥，然后浅犁，也可在犁后耙前撒施有机肥。底肥数量不足时，也可将肥料先施在窝内或条播沟内，然后播种或移栽。
芝麻一生所需的养分，单靠底肥是不能满足的，特别是中、后期开花结蒴吸肥高峰的需要。根据芝麻的需肥规律，追肥的原则是：苗肥旱施，花前重施，花期补施。追肥应以氮肥为主，磷、钾肥为辅。
（1）苗期追肥。苗肥的作用是促根壮苗，一般在定苗以后，每公顷用速效氮肥尿素37.5～52.5千克或人畜粪水22500～30000千克追施。若土壤肥沃，底肥充足，幼苗长势健壮，苗肥可少施或不施，若土壤瘦、底肥差或晚播的夏芝麻，幼苗长势瘦弱，此次追肥要旱施多施。
（2）花期追肥。此次追肥可根据情况分一次或两次施用。若土壤保肥供肥性好，可在初花期一次追施；反之，可在现蕾初花期多施，开花结蒴阶段补施。这次追肥宜早不宜迟，最迟不宜超过盛花期。
花期施肥量一般每公顷用尿素75～105千克对人畜粪水30000～37500千克，结合中耕、培土集中条施或穴施。缺钾土壤还可在初花期撒施草木灰750千克左右，增产效果也很好。
此外，在芝麻始花至盛花阶段喷施磷、钾肥，能增蒴、增粒重，提高含油量。一般每公顷用0.2％的磷酸二氢钾溶液750～1125千克叶面喷施，隔5～7天喷1次，连喷2次。