Los eventos por cambios en el clima alteran el crecimiento y fisiología de la caña de azúcar. En este contexto, el estudio tuvo como objetivo investigar las respuestas morfológicas, anatómicas y fisiológicas de dos variedades diferentes de caña de azúcar bajo una condición de alto dióxido de carbono (CO) asociado con déficit hídrico, probando la hipótesis de que las respuestas de la caña de azúcar a la sequía son moduladas por altas concentraciones de (CO) en diferentes escalas de la planta. Treinta días después de la germinación, las plantas se cultivaron bajo dos concentraciones de (CO) en la atmósfera (400 y 680 mol CO mol de aire) y bajo condiciones de restricción de agua. A nivel morfológico, se evaluó la biomasa total, altura de la planta, diámetro del tallo, área foliar y relación raíz-tallo; a nivel fisiológico, contenido relativo de agua, eficiencia en el uso del agua, tasa máxima in vivo de Rubisco, y carboxilación de PEPC, fotosíntesis, carbono orgánico total, nitrógeno, y relación carbono-nitrógeno. A nivel anatómico, se evaluó la densidad estomática en las superficies adaxial y abaxial y el grosor de la pared de las células de la vaina del haz. Los resultados indican que, en todos los niveles, la respuesta de las plantas de caña de azúcar expuestas a altas concentraciones de CO y sequía es dependiente del genotipo. En general, la variedad RB855536 mostró mayores respuestas fisiológicas: una mejor eficiencia en el uso del agua y alteración en la tasa de carboxilación de la enzima Rubisco, mientras que la variedad RB867515 mostró una mayor respuesta morfológica determinada por cambios en la asignación de biomasa y alteraciones anatómicas de las densidades y funcionalidad de los estomas. Las variedades de caña de azúcar expuestas al déficit hídrico y alta concentración de CO desarrollaron diferentes estrategias basadas en cambios morfológicos, fisiológicos y/o anatómicos que son útiles para enfrentar escenarios de cambio climático, y los efectos de la sequía pueden ser mitigados por el alto (CO) en el aire.