Cada año, grandes cantidades de uvas de vino de alta calidad se dejan en la vid sin recoger y, como consecuencia, se pierden, para controlar la sobreproducción en las zonas vitivinícolas con un rendimiento de producción de denominación limitado. En el contexto de la bioeconomía circular, la valorización de estas uvas como una fuente potencial de antioxidantes naturales es de gran interés. El estudio realizado se centra en la caracterización del perfil polifenólico de diferentes variedades de uvas no recogidas utilizando la técnica de extracción asistida por ultrasonido para extraer las fracciones polifenólicas. Además, se llevó a cabo la evaluación de la capacidad antioxidante mediante varios ensayos: capacidad de absorción de radicales de oxígeno (ORAC), estabilidad del radical 2,2-difenil-1-picrilhidrazilo (DPPH), capacidad antioxidante de reducción férrica (FRAP), capacidad antioxidante de reducción cúprica (CUPRAC) y estabilidad del radical 2,2-azino-bis(3-etilbenzotiazolina-6-sulfónico) (ABTS). Los resultados mostraron una fuerte relación entre el contenido total de fenoles y los ácidos hidroxicinámicos (R = 0.9088), seguidos por los flavan-3-oles (R = 0.8792) y los taninos (R = 0.7705). La capacidad antioxidante de las uvas dependía del contenido total de fenoles. Estos resultados proporcionan nueva información para una mejor comprensión de la importancia de dar un valor añadido a las uvas no recogidas debido a su alto contenido de polifenoles. Estos hallazgos ayudan al sector vitivinícola a considerar la valorización de las uvas no recogidas, clasificadas como residuos, como una fuente interesante de antioxidantes naturales que se pueden utilizar como suplementos alimenticios y con aplicaciones potenciales en la industria farmacéutica.