Las biorrefinerías integradas desempeñan un papel transformador en el desarrollo sostenible al convertir biomasa y residuos biogénicos en productos de alto valor, minimizando al mismo tiempo los desechos, las emisiones y las ineficiencias en el uso de recursos. Esta revisión explora innovaciones en procesos de biorrefinería, destacando la sinergia entre tecnologías termoquímicas, bioquímicas y biológicas, como la pirólisis, la fermentación, la digestión anaerobia, la carbonización hidrotermal y los sistemas basados en algas y en insectos. Los avances recientes, incluidos la humificación y la fulvificación hidrotermales, mejoran la recuperación de nutrientes, la captura de carbono y la producción de residuos casi nula mediante la generación de sustancias húmicas artificiales. Se presentan las biorrefinerías integradas inteligentes y los sistemas de bioeconomía sostenible y circular como marcos que promueven la sinergia, la interconectividad y la optimización de recursos, enfatizando que la valorización de la biomasa debe maximizarse antes de su uso final. El biocarbón desempeña un papel multifacético más allá de la captura de carbono. En lugar de su enterramiento prematuro, puede derivarse de residuos fermentados para la producción de ácido láctico o emplearse para mejorar la fermentación y los rendimientos de metano en la digestión anaerobia. Además, el biocarbón cargado de nutrientes actúa como fertilizante de liberación lenta, mitigando la escorrentía y las emisiones de GEI. Paralelamente, el calor generado en la producción de biocarbón puede utilizarse para generar electricidad y las emisiones de CO₂ pueden apoyar el cultivo de algas. El bioaceite, otro subproducto, puede mejorarse para obtener compuestos plataforma, formando un sistema de circuito cerrado que optimiza el uso de la biomasa y minimiza el impacto ambiental. Los métodos convencionales de tratamiento de biomasa, como la incineración, la combustión y el compostaje, desperdician recursos valiosos y contribuyen a la degradación ambiental. En su lugar, un enfoque de circuito cerrado y autooptimización garantiza el aprovechamiento total de la biomasa mientras aborda los límites planetarios. Al integrar aprendizaje automático, gemelos digitales y sistemas de apoyo a la toma de decisiones, las biorrefinerías integradas inteligentes mejoran la eficiencia en el uso de recursos, se adaptan a las demandas del mercado y aceleran la transición hacia un futuro con bajas emisiones de carbono y uso eficiente de los recursos.