O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da utilização de fertilizante organomineral e fertilizante com substâncias húmicas na sucessão milho-soja, no carbono orgânico total, nas frações químicas e granulométricas da matéria orgânica do solo (MOS). O delineamento experimental foi em blocos ao acaso arranjado em esquema fatorial (2x5), com quatro repetições. Os tratamentos constituíram-se de duas fontes de fertilizantes (organomineral e NPK com substâncias húmicas), aplicados em cinco doses crescentes (0, 20, 40, 60 e 80 kg ha-1 de P2O5). As amostras de solo foram coletadas na profundidade de 0 a 0,2 m e determinados os teores de carbono orgânico total (COT), carbono orgânico particulado (COP), carbono lábil (CL), carbono orgânico associado aos minerais (COAM) e o carbono das frações ácido húmico (AH), ácido fúlvico (AF) e da humina (HU). Os tratamentos que receberam adubação mostraram-se superiores em relação à testemunha, sem adição de fertilizante, nos compartimentos da matéria orgânica. A fertilização incrementa os teores de carbono orgânico total, frações lábeis e húmicas na sucessão milho-soja.