En las últimas décadas, la producción de caña de azúcar en Brasil se ha expandido rápidamente para satisfacer la creciente demanda de etanol. La gran mayoría de esta expansión ocurrió en el estado de Sao Paulo. Utilizamos un enfoque integrado considerando características biofísicas específicas de la ubicación para determinar los impactos ambientales de la expansión de la caña de azúcar y su variación espacial en el estado de Sao Paulo (2004-2015). Los impactos ambientales incluidos son las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), la biodiversidad, la erosión del suelo y la cantidad de agua. Todos los impactos se integraron en un único índice de rendimiento ambiental para determinar las compensaciones entre los impactos. Nuestros resultados muestran una fuerte variación espacial en los impactos ambientales y las compensaciones entre ellos. La magnitud y dirección de estos impactos son impulsadas principalmente por el tipo de cambio de uso del suelo y por la heterogeneidad de las condiciones biofísicas. Las áreas donde la expansión de la caña de azúcar ha resultado en impactos ambientales mayormente negativos se encuentran en el centro y este del estado (relacionadas con el cambio de matorrales, eucaliptos y bosques), mientras que las áreas donde la expansión de la caña de azúcar ha resultado en impactos positivos se encuentran en el centro-oeste y norte (relacionadas con el cambio de cultivos anuales). Identificar áreas con impactos principalmente positivos y negativos permite el desarrollo de estrategias para mitigar los efectos negativos y potenciar los positivos para la futura expansión de la caña de azúcar.