Los residuos agroalimentarios se han acumulado a nivel mundial en escalas sin precedentes, generando presiones ambientales e ineficiencias en el uso de recursos, un problema central abordado en esta revisión, mientras que simultáneamente representan ricos reservorios infrautilizados de fitoquímicos que promueven la salud. Esta revisión sintetiza los avances recientes (2016-2025) en la extracción verde, caracterización y validación biológica de fitoquímicos de residuos de origen vegetal, incluidos polifenoles, flavonoides, carotenoides, alcaloides y fibras dietéticas de fuentes clave como el orujo de uva, las cáscaras de cítricos, la piel de café, la cáscara de granada, los salvados de cereales y los subproductos de frutas tropicales. Se hace hincapié en métodos de extracción sostenibles: extracción asistida por ultrasonido (UAE), extracción asistida por microondas (MAE), extracción líquida a presión (PLE), extracción por CO supercrítico (SFE) y disolventes eutécticos profundos naturales (NADES), que permiten una recuperación eficiente mientras se minimiza el impacto ambiental. Estudios in vitro, in vivo y clínicos demuestran que los compuestos derivados de residuos ejercen efectos antioxidantes, antiinflamatorios, reguladores del metabolismo y prebióticos, contribuyendo a la salud en general y a la modulación de la microbiota intestinal. La integración de estos bioactivos en alimentos funcionales y nutracéuticos apoya los objetivos de nutrición sostenible y economía circular al reducir el desperdicio de alimentos y promover la valorización orientada a la salud. Los avances regulatorios, incluidas las aprobaciones de la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) y de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA) para ingredientes como los fenoles del olivo, los flavanones cítricos y la cáscara de café, ilustran aún más la creciente preparación para la traducción. La convergencia de la química verde, el diseño de biorefinerías y la ciencia nutricional posiciona los residuos agroalimentarios como recursos fundamentales para dietas responsables con la salud y el medio ambiente en el futuro. Los desafíos restantes incluyen escalar procesos verdes rentables, armonizar los protocolos de evaluación del ciclo de vida, expandir conjuntos de datos toxicológicos y realizar ensayos clínicos a largo plazo para apoyar una comercialización segura y basada en evidencia.