La extracción de compuestos bioactivos en un contexto de biorrefinería podría ser una forma de valorizar los subproductos agroalimentarios, pero también hay una parte restante que también requiere atención. Por lo tanto, en este trabajo se abordó la extracción integrada de compuestos fenólicos, incluido el bioactivo oleuropeína, y proteínas de hojas de molino de aceite de oliva siguiendo tres esquemas, incluido el uso de ultrasonido. Esto afectó el contenido fenólico total (4475,5-6166,9 mg equivalentes de ácido gálico/100 g), el contenido de oleuropeína (675,3-1790,0 mg/100 g) y la actividad antioxidante (18.234,3-25.459,0 umol equivalentes de trolox/100 g). No se observó efecto en la recuperación de proteínas ni en el contenido de azúcares y lignina en los residuos de extracción. En cuanto a la recuperación de proteínas, se evaluaron tres parámetros operativos mediante metodología de superficie de respuesta. El óptimo (63,1%) se logró utilizando NaOH 0,7 M a 100 grados Celsius durante 240 minutos. Luego, se aplicó el esquema seleccionado a hojas de olivo del campo, observando diferencias en el contenido de algunos de los componentes estudiados. También se modificó el perfil lignocelulósico de los residuos de extracción de ambos tipos de hojas, que se enriquecieron en celulosa. En general, estos resultados podrían ser útiles para diversificar la cadena de valorización en el sector del olivar.