La sequía es un estrés abiótico perjudicial que limita severamente el crecimiento y la productividad del trigo en todo el mundo al alterar varios procesos fisiológicos. Por lo tanto, comprender los mecanismos de tolerancia a la sequía es esencial para la selección de características resistentes a la sequía y cultivares tolerantes a la sequía para los programas de mejoramiento del trigo. Este estudio exploratorio evaluó 14 genotipos de trigo (13 relativamente tolerantes, uno susceptible) para la resistencia a la sequía, basándose en rasgos fisiológicos y bioquímicos de la hoja bandera durante la etapa crítica de llenado de granos en condiciones de campo. Las mediciones incluyeron seis rasgos fisiológicos, siete de intercambio de gases, seis del fotosistema II, seis estomáticos, tres de especies reactivas, siete solutos metabolómicos y dos rasgos de biomasa. Todos los parámetros fueron significativamente influenciados por la sequía, con respuestas genotípicas variables. El análisis de clúster jerárquico (HCA) categorizó los genotipos en tres grupos de tolerancia a la sequía según el rendimiento de los rasgos. Siete genotipos en el Clúster 2 (BARI Gom 26, BARI Gom 33, BD-631, BD-600, BD-9910, BD-9889, BD-637) mostraron una tolerancia a la sequía superior, caracterizada por cambios mínimos en los rasgos fisiológicos y acumulación de biomasa, reducción de marcadores de estrés oxidativo y aumento de la acumulación de osmoprotectores. El innovador índice de distancia genotipo-ideotipo de múltiples rasgos (MGIDI) clasificó aún más los genotipos de trigo en relación con la tolerancia a la sequía, identificando a BARI Gom 33, BARI Gom 26, BD-9889 y BD-600 como los mejores desempeñadores. Notablemente, todos estos genotipos de mejor clasificación pertenecían al Clúster 2, previamente identificado como el grupo de mejor rendimiento en el HCA. Los genotipos identificados con una tolerancia a la sequía superior ofrecen valiosos recursos genéticos para mejorar la productividad del trigo en entornos con limitación de agua. Los rasgos relacionados con la actividad fotosintética, la ganancia de biomasa, la conductancia foliar, el estrés hídrico y la osmoprotección mostraron altos diferenciales de selección y heredabilidad en el análisis de MGIDI, lo que indica su potencial como objetivos de selección para el trigo tolerante a la sequía. En general, los enfoques estratégicos han proporcionado nuevos conocimientos sobre el cribado de genotipos que pueden aplicarse directamente para profundizar nuestra comprensión de los mecanismos de tolerancia a la sequía en el trigo.