A cana-de-açúcar é uma gramínea de grande relevância para o cenário econômico brasileiro devido a produção de açúcar e etanol. Fatores ambientais como a seca comprometem a produtividade e o desenvolvimento da planta, principalmente por interferir na funcionalidade de suas organelas. Os cloroplastos são organelas semiautônomas, responsáveis pela fotossíntese assim como modulação das respostas iniciais a estresses abióticos. Desta forma, o presente trabalho objetivou avaliar alterações fisiológicas e moleculares da cana-de-açúcar submetidas a condições de déficit hídrico. Foram utilizados segmentos de colmo de cana-de-açúcar (variedade RB92579). As plantas foram propagadas por 90 dias e submetidas a dois tratamentos: controle (irrigado) e déficit hídrico por sete dias (estresse). Os parâmetros fisiológicos realizados foram: fotossíntese líquida (A), transpiração (E) e condutância estomática (gs), utilizando o analisador portátil de CO2 a infravermelho (IRGA) e o teor relativo de água (TRA). Foi feita uma análise proteômica diferencial dos cloroplastos de ambos os tratamentos buscando correlacionar os dados fisiológicos obtidos com proteínas relacionadas a fotossíntese. As análises fisiológicas revelaram uma redução na condutância estomática, na fotossíntese e transpiração nas plantas sob estresse. Do ponto de vista molecular foi possível identificar que proteínas ligadas ao processo fotossintético possuíam resposta diferencial entre os tratamentos, especialmente aquelas envolvidas com a tradução da RuBisCO, ATP sintase e PEP carboxilase. Os dados obtidos nas análises fisiológicas e moleculares evidenciam as alterações causadas na cana-de-açúcar em resposta ao estresse por déficit hídrico. Tais resultados são de grande importância para seleção de variedades enriquecendo os programas de melhoramento genética da cultura canavieira.