El fósforo (P) es un nutriente esencial para el crecimiento de las plantas, y el estrés por bajo fósforo (LP) limita significativamente la productividad del algodón. Aquí, realizamos estudios de asociación del genoma completo (GWAS) de un solo y múltiples loci sobre cuatro rasgos relacionados con LP utilizando 419 accesiones de algodón de tierras altas genotipadas con 2.97 millones de polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs). El análisis fenotípico revela una variación sustancial bajo estrés LP, con LP-SDW mostrando el coeficiente de variación más alto (33.69%). Los GWAS identificaron miles de SNPs significativos, incluidos loci pleiotrópicos asociados con múltiples rasgos. Los cromosomas A08, D09 y D12 albergaron señales asociadas novedosas. Los modelos de múltiples loci mejoraron significativamente la sensibilidad de detección, identificando 123 SNPs no detectados por enfoques de un solo locus. Las anotaciones funcionales priorizaron seis genes candidatos cerca de los SNPs asociados, incluidos GhM_A08G1315 (proteína remorina) y GhM_D06G1152 (dioxygenasa de escisión de carotenoides), cuyos patrones de expresión inducidos por LP fueron validados por qRT-PCR. Estos genes están implicados en la señalización de membranas, la modulación de la arquitectura de raíces y el metabolismo de hormonas. Nuestros hallazgos proporcionan nuevas perspectivas genéticas sobre la tolerancia al LP y establecen una base para la cría de variedades eficientes en fósforo a través de la selección asistida por marcadores en el algodón.