Las condiciones de sequía generalizadas han afectado cada vez más la productividad agrícola, lo que requiere la exploración de enfoques alternativos para mejorar la tolerancia, el rendimiento y la calidad de los cultivos, ya que las plantas adoptan muchas estrategias fisiológicas para hacer frente a entornos desafiantes. Este estudio evaluó los efectos de un hidrolizado de proteína de origen vegetal (HP), aplicado mediante pulverización foliar o riego por raíz a una concentración de 3 mL L, en plantas de tomate (n = 96) bajo condiciones de riego adecuado y estrés por sequía durante un experimento en invernadero de 136 días. En general, el riego subóptimo disminuyó significativamente la biomasa seca de las plantas (-55.3%) y la producción de frutas (-68.8% de rendimiento comercial), y mejoró la calidad de la fruta en términos de concentración de azúcar y niveles de antioxidantes. Los tratamientos con HP, independientemente del método de aplicación, no influyeron notablemente en la biomasa seca aérea, el rendimiento o la calidad de la fruta, lo que sugiere que la intensidad de la sequía podría haber limitado la efectividad del HP. El análisis metabolómico mostró concentraciones más altas de metabolitos relacionados con el estrés y la calidad en los frutos de tomate de plantas bajo estrés, sin que el HP ejerciera cambios metabólicos significativos en los frutos. Estos hallazgos revelaron la disminución de la efectividad de los HP en condiciones severas de sequía, sugiriendo que el nivel de estrés por sequía debe tenerse en cuenta para optimizar la eficacia de los biostimulantes.