Este estudio tuvo como objetivo determinar el impacto de las variedades de trigo antiguas (escanda, espelta y khorasan) y la fermentación espontánea de masa madre en la bioaccesibilidad del contenido fenólico total (TPC) y la capacidad antioxidante DPPH durante la elaboración del pan y la digestión in vitro. Se utilizaron panes de trigo moderno fermentados con masa madre y levadura como controles. Después de 6 h de fermentación, la acidez titulable total de la masa madre aumentó de 139 a 167%. La variedad de trigo, el tipo de fermentación y el procesamiento afectaron el TPC, la actividad antioxidante y la bioaccesibilidad. La actividad antioxidante y el TPC se redujeron al mezclar la masa, aumentaron después de la fermentación con masa madre y disminuyeron ligeramente o se mantuvieron iguales después de hornear. Aunque la harina de trigo tenía el TPC más alto, la modelización cinética del TPC reveló que la masa madre de escanda y espelta exhibió una mayor tasa de liberación de fenoles unidos debido a la mayor acidez, lo que contribuyó a aumentar la solubilidad de los fenoles. Aunque el pan de trigo, tanto antes como después de la digestión, tenía el TPC más bajo, especialmente el preparado con levadura, las altas bioaccesibilidades de TPC y actividades antioxidantes después de la digestión sugirieron que, excepto los fenoles, el proceso de digestión mejoró la liberación de compuestos adicionales con diferente bioaccesibilidad y actividad biológica. Los resultados de este estudio demostraron que la aplicación de la fermentación con masa madre puede aumentar el potencial de los trigos antiguos en el desarrollo de productos de panadería funcionales.