El aumento en el uso de antidepresivos, junto con su creciente presencia en ambientes acuáticos, es motivo de preocupación para los organismos marinos. Aunque se ha demostrado que estos compuestos farmacéuticos afectan negativamente a las diatomeas marinas, su modo de acción en estos organismos fototróficos unicelulares no objetivo aún se desconoce. Utilizando un espectrómetro de masas de resonancia de ciclotrón de iones de transformada de Fourier (FT-ICR-MS), evaluamos los efectos de la fluoxetina en la metabolómica del modelo de diatomea, así como el posible uso de los metabolitos identificados como biomarcadores de exposición. El crecimiento de las diatomeas se vio gravemente afectado tras la exposición a la fluoxetina, particularmente en la dosis más alta probada, junto con una regulación a la baja de los metabolismos fotosintético y de carbohidratos. Notablemente, varios mecanismos que normalmente son regulados a la baja por la fluoxetina en organismos mamíferos también fueron regulados a la baja en las diatomeas (por ejemplo, metabolismo de glicerolípidos, vía de señalización de fosfatidilinositol, metabolismo de vitaminas, biosíntesis de la cadena de terpenoides y metabolismo de la remobilización de serotonina). Además, el presente trabajo también identificó un conjunto de biomarcadores potenciales de exposición a la fluoxetina que fueron regulados al alza con el aumento de la concentración de exposición a la fluoxetina y que tienen una alta importancia metabólica según el modo de acción revelado, reforzando el uso de enfoques metabolómicos en ecotoxicología.