El diagnóstico de vulnerabilidad ambiental de una cuenca fluvial depende de un análisis holístico de sus aspectos ambientales y factores de degradación. Basado en este diagnóstico, la definición de áreas prioritarias donde se deben llevar a cabo intervenciones para la recuperación ambiental es fundamental, ya que los recursos financieros y naturales son limitados. En este estudio, desarrollamos una metodología para evaluar estas fragilidades utilizando un índice de vulnerabilidad ambiental (IVA) que combina indicadores físicos y ambientales relacionados con la sensibilidad natural de los ecosistemas y su exposición a factores antropogénicos. El IVA desarrollado se aplicó a la región de cabecera de la Cuenca del Río São Francisco (CRSF), Brasil. El índice propuesto se basó en el análisis multicriterio AHP y se adaptó para incluir cuatro variables representativas del área de estudio: Adecuación del Uso del Suelo, Área Quemada, Susceptibilidad a la Erosión y balance hídrico cuantitativo. El análisis del IVA destacó que la presencia de suelos fácilmente erosionables, asociados con áreas inclinadas y uso del suelo por encima de su capacidad, genera las áreas más vulnerables en las cabeceras de la CRSF. Los valores más altos del IVA están principalmente vinculados a regiones con suelos poco profundos y fácilmente erosionables como Leptosoles y Cambisoles, encontrados en áreas empinadas predominantemente utilizadas para pastoreo. En la CRSF, la mayor vulnerabilidad se observó dentro de un área de 5 km alrededor de unidades de conservación, cubriendo aproximadamente el 32.4% del área total. Los resultados de este estudio indican dónde se deben aplicar recursos para la preservación ambiental en la cuenca estudiada, dirigiendo la asignación de esfuerzos a áreas con menor resiliencia para mantener los servicios ecosistémicos.