El trigo pan (L.) se cultiva ampliamente en áreas subtropicales y tropicales y, como tal, está expuesto al estrés térmico, especialmente durante el período de llenado de granos (GFP). El calentamiento global ha afectado aún más su producción y productividad en estos entornos sometidos a estrés térmico. Examinamos los efectos del estrés térmico en 18 rasgos morfo-fisiológicos y relacionados con el rendimiento en 96 accesiones de trigo pan. El estrés térmico disminuyó el crecimiento del cultivo y el GFP, y, en consecuencia, redujo los rasgos morfológicos y relacionados con el rendimiento en el cultivo sembrado tarde. Se utilizó un índice de susceptibilidad al calor bajo y una alta estabilidad de rendimiento para seleccionar accesiones tolerantes. Bajo estrés térmico, los días hasta el 50% de antesis, el área de la hoja bandera, el contenido de clorofila, el índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI), el peso de mil granos (TGW), el índice de cosecha y el rendimiento de granos se redujeron significativamente tanto en accesiones tolerantes como susceptibles. La reducción fue severa en accesiones susceptibles (reducción del rendimiento de granos del 48.2% en IC277741). La altura de la planta, la longitud del pedúnculo y la longitud de la espiga mostraron una reducción significativa en las accesiones susceptibles, pero una reducción no significativa en las accesiones tolerantes bajo estrés térmico. Los rasgos fisiológicos como la depresión de temperatura del dosel (CTD), la cerosidad de la planta y el enrollamiento de las hojas aumentaron en las accesiones tolerantes bajo estrés térmico. La microscopía electrónica de barrido de granos de trigo maduros reveló cambios ultraestructurales en las células del endospermo y de la aleurona debido al estrés térmico. La reducción en el tamaño y la densidad de los grandes gránulos de almidón es la principal causa de la disminución del rendimiento y del TGW en las accesiones susceptibles al estrés térmico. Las accesiones más estables y de alto rendimiento, a saber, IC566223, IC128454, IC335792, EC576707, IC535176, IC529207, IC446713 e IC416019 fueron identificadas como líneas de germoplasma resistentes al clima. Seleccionamos líneas de germoplasma que poseen rasgos deseables como posibles progenitores para el desarrollo de poblaciones de mapeo biparentales y multiparentales.