Los residuos agroalimentarios representan una rica fuente de nutrientes y metabolitos secundarios bioactivos, incluidos compuestos fenólicos. La utilización efectiva de estos subproductos en suplementos alimenticios y la industria de los nutracéuticos podría proporcionar una forma de valorización en la transición hacia la sostenibilidad. En este contexto, el presente estudio describe el perfil fenólico de la torta de sésamo (L.) utilizando cromatografía líquida de alta resolución en fase inversa acoplada a detección por matriz de diodos y espectrometría de masas de cuadrupolo-tiempo de vuelo. Los compuestos fueron caracterizados en función de su tiempo de retención, espectros UV, espectrometría de masas de alta precisión (MS) y datos MS/MS junto con la comparación con estándares, siempre que fuera posible, y la literatura relevante. Los compuestos caracterizados (112 metabolitos) pertenecen a varias clases, a saber, ácidos fenólicos (ácidos hidroxibenzoicos y ácidos hidroxicinámicos), flavonoides y lignanos. Además, se caracterizaron ácidos orgánicos y algunos compuestos nitrogenados. Se determinó el contenido total de fenoles y la actividad antioxidante del extracto de la torta. Este estudio proporciona información útil para la valorización de los subproductos de la industria del aceite de sésamo.