La creciente población global ha generado preocupaciones sobre cómo satisfacer la creciente demanda de alimentos. En consecuencia, el sector agrícola depende en gran medida de los fertilizantes químicos para mejorar la producción de cultivos. Sin embargo, el uso extensivo de fertilizantes químicos puede alterar el equilibrio natural del suelo, causando daños estructurales y cambios en la microbiota del suelo, así como afectando el rendimiento y la calidad de los cultivos. Los biofertilizantes y biostimulantes derivados de microalgas y cianobacterias son alternativas sostenibles prometedoras que influyen significativamente en el crecimiento de las plantas y la salud del suelo debido a la producción de diversas biomoléculas, como enzimas fijadoras de nitrógeno, fitohormonas, polisacáridos y aminoácidos solubles. A pesar de estos beneficios, producir de manera natural biomasa microalgal de alta calidad es un desafío debido a diversos factores ambientales. Los entornos controlados, como la iluminación artificial y los fotobiorreactores, permiten la producción continua de biomasa, pero los altos costos de capital y energía obstaculizan la producción a gran escala de biomasa microalgal. Métodos sostenibles, como la biorremediación de aguas residuales y las estrategias de biorrefinería, son oportunidades potenciales para superar estos desafíos. Esta revisión resume de manera integral las actividades promotoras del crecimiento de las plantas de las microalgas y elucida los mecanismos por los cuales varios metabolitos microalgales actúan como biostimulantes y sus efectos en las plantas, utilizando distintos métodos de aplicación. Además, aborda los desafíos de la producción de biomasa en aguas residuales y explora estrategias de biorrefinería para mejorar la sostenibilidad de los biofertilizantes.