La producción sostenible de biocombustibles, biomateriales y productos químicos finos es un asunto crítico en el que los equipos de investigación de todo el mundo están enfocados en la actualidad. Los polihidroxialcanoatos representan uno de los biomateriales del futuro debido a sus propiedades fisicoquímicas, biodegradabilidad y biocompatibilidad. El diseño de bioprocesos eficientes y económicos, combinado con los respectivos beneficios sociales y ambientales, ha reunido a científicos de diferentes campos resaltando el carácter multidisciplinario de tal empresa. En la revisión actual, se presentan y discuten los desafíos y oportunidades con respecto a la producción de polihidroxialcanoatos, cubriendo los pasos clave de su proceso de producción general mediante la aplicación de biotecnología de cultivos puros y mixtos, desde el desarrollo de bioprocesos crudos hasta el procesamiento aguas abajo.