A cana-de-açúcar é uma planta C4 que possui boa adaptabilidade em regiões tropicais e subtropicais, em diferentes tipos de solos e condições climáticas, destacando a sua grande importância econômica no cenário mundial atual, por ser matéria prima de produtos como o álcool e o açúcar e subprodutos. A deficiência hídrica é um dos principais fatores que limitam a produção da cana-de-açúcar. O objetivo deste estudo foi caracterizar variedades de cana-soca sob diferentes regimes hídricos no Cerrado brasileiro. O experimento foi conduzido em uma área de 0,36 hectares, localizada na EMBRAPA Cerrados, próxima a Planaltina-DF. O delineamento experimental utilizado foi em blocos ao acaso com três repetições em parcelas subdivididas; cada variedade constituía uma parcela e os diferentes regimes hídricos, irrigado e sequeiro, as subparcelas. No experimento a irrigação foi aplicada conforme o sistema Line Source Sprinkler System, modificado de forma que a lâmina de água aplicada na cultura descresse do centro para as extremidades da área. Foram avaliadas características biométricas: diâmetro médio do colmo (DMC), altura média do perfilho (AMP), número de folhas verdes completamente abertas (NFVA), comprimento e largura da folha +3 (C+3 e L+3, respectivamente), índice de área foliar (IAF) e área foliar (AF); características de produção: produtividade de colmos e qualidade do caldo : comprimento do entrenó (CE), peso do colmo (PC), número de perfilhos por hectare e produtividade; tecnológicos do caldo: ºBrix do caldo, Pol do caldo (teor de sacarose), pureza (PZA), AR (teor de açúcares redutores do caldo), ARC (açúcares redutores da cana), fibras, Pol da cana (PCC), açúcares totais recuperáveis (ATR) e o valor da megagrama da cana (VMgC); e características fisiológicos: prolina livre na folha; e trocas gasosas foliares: transpiração (E), condutância estomática (gs), fotossíntese líquida (A), carboxilação (EC); e aumento da eficiência intrínseca do uso da água (EIUA) e a concentração foliar de clorofilas (a, b e total); Os dados foram submetidos à análise de variância e regressão, e as médias comparadas pelo teste de Tukey a p<0,05. A variedade RB867515 foi a que apresentou maiores valores biométricos de DMC, AMP, C+3 e L+3, tanto em cultivo irrigado como em sequeiro; observou-se que houve redução nos números de NFVA, e aumento do NFE e NFM por perfilhos quando as variedades foram cultivadas em sequeiro; as variedades RB835486 e RB867515 se mostraram melhor adaptadas à restrição hídrica ocorrida até os 137 DAC para os tratamentos em sequeiro. A variedade RB867515 e a RB855156 foram as que obtiveram maior produtividade, com 174,99 e 148,10 Mg ha-1, respectivamente. A cana-de-açúcar cultivada com irrigação equivalente a 75% da ETc não proporcionou diferença significativa para a qualidade industrial das variedades RB835486, RB855156 e RB867515 em relação ao cultivo em sequeiro (0% da ETc). Não houve diferença significativa para os valores do teor de açúcares redutores (AR), açúcares redutores da cana (ARC) e a pureza do caldo (PZA) entre as variedades RB835486, RB855156 e RB867515. As variedades de cana-de-açúcar RB835486, RB855156 e RB867515 cultivadas em sistema de sequeiro apresentaram redução na transpiração (E), condutância estomática (gs), fotossíntese líquida (A), carboxilação (EC), clorofila a (Clo a), clorofila total (Clo a+b); e aumento da eficiência intrínseca do uso da água (EIUA).