La biomasa es un recurso renovable clave para avanzar en sistemas energéticos sostenibles y circulares. A diferencia de revisiones anteriores que enfatizaban predominantemente tipos de biomasa bien establecidos y tecnologías de conversión convencionales, este trabajo ofrece una síntesis comparativa que subraya materias primas subutilizadas y vías de valorización emergentes, proporcionando una perspectiva estratégica para el desarrollo de procesos sostenibles. Esta revisión examina críticamente el estado actual de bioproductos de alto valor añadido derivados de la biomasa, centrándose en su relevancia para la mitigación del clima y la eficiencia de recursos. Explora estrategias de diseño de procesos sostenibles que mejoran el rendimiento ambiental y económico de la conversión de biomasa. Se presta especial atención a los avances recientes en la intensificación de procesos, incluidas configuraciones de reactores novedosos y técnicas de integración de calor. Se analiza la integración de herramientas de evaluación de sostenibilidad y enfoques de optimización multiobjetivo para apoyar la toma de decisiones basada en datos. Se discuten las biorefinerías multiproducto como plataformas centrales para valorizar diversas materias primas, respaldadas por modelos emergentes para la integración de la cadena de suministro. Se revisan las limitaciones actuales, como la heterogeneidad de las materias primas, las restricciones de infraestructura y los desafíos de acoplamiento energético, junto con nuevas oportunidades en digitalización, modularización y apoyo político. La novedad de este trabajo radica en su síntesis transversal de tecnologías, metodologías y estrategias a nivel de sistema, ofreciendo un marco unificado para desbloquear todo el potencial de la biomasa como un vector estratégico para el desarrollo de procesos sostenibles.