Se analizaron los perfiles fenólicos y las actividades antioxidantes de diferentes órganos de las flores de la peonía arbórea comestible (FDB). Los análisis de compuestos fenólicos individuales mediante espectrómetro de masas cuadrupolo-temporizador de vuelo (Q-TOF-MS/MS) revelaron que el pétalo y el estambre contenían niveles más altos de glucósidos de flavonoides que otros órganos (p < 0.05). El kaempferol-3,7-di-glucósido fue el flavonoide dominante en estos dos órganos, sin embargo, el cáliz y el ovario contenían mayores cantidades de derivados de ácido gálico que otros órganos (p < 0.05). La hexa-galoyl-glucosa fue la especie dominante en el cáliz y el ovario. A la misma concentración de extracto fenólico total (TPE), el estambre tuvo el efecto de protección más alto sobre el daño oxidativo de las células Caco-2 inducido por HO. El efecto antioxidante se atribuyó a la potente capacidad antioxidante; al estado redox restaurado debido al aumento de la expresión de glutatión peroxidasa (GSH-Px) y superóxido dismutasa (SOD); y a la mejora de la función de barrera de las células Caco-2 debido al aumento de la expresión de ARNm de zonula occludens-1 (ZO-1), CLDN3 (Claudina 3) y ocludina. Como un nuevo recurso alimenticio, la flor de peonía arbórea comestible es un material alimenticio funcional potencial y un recurso natural de antioxidantes.