Las microalgas han demostrado un gran potencial en biotecnología como fuente de diversas macromoléculas (proteínas, carbohidratos y lípidos) y productos de alto valor añadido (pigmentos, ácidos grasos poliinsaturados, péptidos, exopolisacáridos, etc.). La producción de biomasa a gran escala se vuelve más económicamente viable cuando forma parte de una biorrefinería diseñada dentro del concepto de economía circular. Así, el objetivo de esta revisión crítica es resaltar y discutir los desafíos y tendencias futuras relacionadas con las biorrefinerías basadas en microalgas de múltiples productos, incluyendo tanto cultivos fototróficos como mixotróficos que tratan aguas residuales y la recuperación de biomasa como fuente de macromoléculas valiosas y productos de alto y bajo valor añadido (biofertilizantes y biostimulantes). También se discuten las propiedades terapéuticas de algunos compuestos bioactivos de microalgas. Se sugieren tendencias novedosas como la selección de especies para compuestos antimicrobianos, la producción de bioplásticos utilizando aguas residuales, la estrategia de economía circular y la necesidad de más estudios de Evaluación del Ciclo de Vida (LCA) como algunas de las líneas de investigación futuras.