Los vesículos extracelulares (EVs), partículas envasadas en membranas a nanoescala, son transportadores naturales de proteínas y ácidos nucleicos. Las microalgas se utilizan ampliamente como fuente de sustancias bioactivas en las industrias alimentaria y cosmética y definitivamente tienen el potencial de ser utilizadas como productoras de EVs para aplicaciones biomédicas. En este estudio, los vesículos extracelulares aislados del medio de cultivo de dos microalgas unicelulares, (Chlamy-EVs) y (Chlore-EVs), fueron caracterizados mediante microscopía de fuerza atómica (AFM), microscopía electrónica de crio (cryo-EM) y análisis de seguimiento de nanopartículas (NTA). Se probó la biocompatibilidad con células humanas in vitro (HEK-293T, DF-2 y A172) y la biodistribución en órganos y tejidos de ratones in vivo para ambos EVs microalgales. Una proteína terapéutica exógena, la proteína de choque térmico humano 70 (HSP70), se cargó con éxito en Chlamy- y Chlore-EVs, y se ha confirmado su entrega eficiente a líneas celulares de glioma humano y carcinoma de colon. Además, con el fin de buscar biomoléculas terapéuticas potenciales dentro de los EVs, se han caracterizado sus proteomas. Se identificaron un total de 105 proteínas para Chlamy-EVs y 33 para Chlore-EVs. La presencia de dismutasa de superóxido y catalasa en los componentes de Chlamy-EV permite considerarlos como agentes antioxidantes. La entrega efectiva de carga exógena a células humanas y la posibilidad de optimización del rendimiento de las partículas al variar las condiciones de crecimiento de las microalgas los convierten en productores favorables de EVs para aplicaciones biotecnológicas y biomédicas.