O uso de plantas de cobertura pode aumentar os teores de matéria orgânica e melhorar a qualidade dos solos do Cerrado. Entretanto, o desempenho das espécies de plantas de cobertura e seus efeitos nos atributos químicos e microbiológicos são diferenciados. Com isso desenvolveu-se o presente trabalho com o objetivo de quantificar a produção de biomassa, ciclagem de nutrientes e decomposição de espécies de plantas de cobertura, além de determinar as alterações nos atributos químicos e microbiológicos do solo, em um sistema de plantio direto, no Cerrado do Piauí. O experimento foi realizado na Fazenda Tropical, município de Baixa Grande do Ribeiro, PI, conduzido de janeiro de 2015 a julho de 2016. O delineamento experimental foi em blocos casualizados, com onze tratamentos e quatro repetições. Os tratamentos constituíram de seis espécies de fabáceaes, duas de poáceaes, dois consórcios e, vegetação espontânea (testemunha). Foram realizadas as seguintes avaliações: produção de massa seca, composição nutricional da parte aérea das plantas, extração de nutrientes em função da massa seca produzida e avaliação do desaparecimento da massa seca produzida para cada espécie. Aos 14 e 18 meses, após a implantação das espécies de cobertura, foram realizadas coletas de solo para análise dos atributos químicos e microbiológicos do solo, respectivamente. As camadas de solo amostradas foram: 0,0-0,10; 0,10-0,20 e 0,20-0,40 m. Determinou-se os teores de fósforo (P), potássio (K+), cálcio (Ca2+), magnésio (Mg2+), alumínio (Al3+), acidez potencial (H+Al), carbono orgânico (COT) e pH do solo. Calculou-se a saturação por bases (V%), saturação por alumínio (m%) e CTC efetiva. Foram determinados o carbono e nitrogênio microbiano do solo (C-BMS e Nmic respectivamente), respiração basal do solo (RBS) no tempo: 1, 2, 4, 7, 10, 13, 16, 21, 26, 36, 56, 80 e 112 dias após incubação e o carbono orgânico total do solo (COT). Foram calculados o quociente metabólico (qCO2), o quociente microbiano (qMIC) e a relação carbono e nitrogênio microbiano (C/Nmicro). A maior produção de matéria seca foi obtida com as espécies de Crotalária juncea, guandu fava larga, milheto e braquiária e, a menor com mucuna preta, vegetação espontânea e no consórcio de Crotalária espectabilis + milheto. O maior acúmulo de nutrientes na parte aérea ocorreu em: guandu fava larga, Crotalária juncea e Crotalária espectabilis. As plantas de cobertura estudadas apresentaram bom potencial de proteção do solo, pela permanência dos resíduos na superfície, com exceção da mucuna-preta e Crotalária espectabilis. Os teores de COT foram mais elevados com uso de guandu fava larga, braquiária e consórcio de Crotalária ochroleuca + milheto, principalmente na camada superficial do solo. As espécies de Crotalária espectabilis, vegetação espontânea, mucuna preta, braquiária e Crotalária ocroleuca foram as mais eficientes na ciclagem de K. A maior liberação de C-CO2 foi observada nas áreas sob cultivos de vegetação espontânea, Crotalária juncea, guandu fava larga e Crotalária espectabilis + milheto para a camada de 0–0,10 m no segundo dia de incubação. O milheto também apresentou elevada liberação de C-CO2 no segundo dia após a incubação, devido aos maiores valores de C-BMS, baixos de Nmic, e elevada relação C/N micro. Dessa forma há imobilização do N e liberação de C-CO2. O principal incremento da atividade da biomassa microbiana ocorreu na camada superficial, e o tratamento de vegetação espontânea apresentou os piores atributos microbiológicos.