Las Naciones Unidas (ONU) estiman que la población mundial alcanzará los 10 mil millones de personas para 2050. Estas proyecciones han puesto a la industria agroeconómica bajo una inmensa presión para satisfacer la creciente demanda de alimentos y mantener la seguridad alimentaria global. Sin embargo, los factores asociados con la variabilidad climática y la aparición de patógenos y plagas de plantas virulentos representan una amenaza considerable para cumplir con estas demandas. Se requieren estrategias avanzadas de mejora de cultivos para eludir los efectos perjudiciales del estrés biótico y abiótico y mejorar los rendimientos. La metabolómica es un campo emergente en la cadena de ómicas y la biología de sistemas que se ocupa del análisis cuantitativo y cualitativo de metabolitos de un espécimen biológico bajo condiciones específicas. En las últimas décadas, las técnicas de metabolómica se han utilizado extensamente para descifrar y describir las redes metabólicas asociadas con el crecimiento y desarrollo de las plantas, así como la respuesta y adaptación al estrés biótico y abiótico. En los últimos años, las tecnologías de metabolómica, particularmente la metabolómica de plantas, se han expandido para la detección de biomarcadores metabólicos para un mejor rendimiento y tolerancia al estrés en la cría asistida por metabolómica. Esta revisión explora los avances recientes en la aplicación de la metabolómica en la biotecnología agrícola para el descubrimiento de biomarcadores y la identificación de nuevos metabolitos para la mejora de cultivos. Describimos el flujo de trabajo básico de la metabolómica de plantas, las técnicas analíticas esenciales y el poder de estas técnicas analíticas combinadas con herramientas de quimiometría y quimioinformática. Además, se mencionan sistemas ómicos integrados para la cría asistida por metabolómica y aplicaciones actuales.