El estrés por sequía afecta gravemente la productividad de los cultivos y amenaza la seguridad alimentaria. A medida que se prevé que las tendencias actuales del calentamiento global agraven las sequías, se vuelve urgente desarrollar cultivos resistentes a la sequía. Aquí, utilizamos las variedades de trigo tolerantes a la sequía (BW35695) y sensibles a la sequía (BW4074) para investigar las respuestas fisiológicas, bioquímicas y del proteoma foliar que sustentan la tolerancia a la sequía. En respuesta a la sequía, la variedad tolerante tuvo una mayor acumulación de osmólitos y mantuvo un mayor contenido de agua en las hojas que la variedad sensible. BW35695 también tuvo una capacidad enzimática antioxidante mejorada y redujo las especies reactivas de oxígeno (ROS), lo que resultó en un daño lipídico de membrana disminuido, como se refleja en el contenido de malondialdehído. El análisis proteómico reveló que la expresión diferencial de proteínas inducida por la sequía involucraba diversos procesos biológicos en ambas variedades de trigo, incluyendo el metabolismo primario y secundario, la síntesis/plegamiento/degradación de proteínas, la defensa/desintoxicación de ROS, la energía, la transcripción y la estructura celular. Notablemente, la fotosíntesis emergió como el proceso bioquímico más enriquecido que se dirigió a la supresión en el trigo tolerante a la sequía BW35695, pero no en el BW4074 sensible a la sequía, posiblemente como una estrategia de supervivencia para evitar el daño celular causado por las ROS derivadas de la fotosíntesis. Además, las proteínas relacionadas con la síntesis de proteínas fueron altamente reguladas al alza en BW35695, presumiblemente para impulsar respuestas adaptativas al estrés a nivel celular. La red de proteínas identificada aquí será útil en estudios futuros para comprender la base molecular de los fenotipos de respuesta a la sequía divergentes en los cultivos.