A bacia hidrográfica do Tocantins-Araguaia (TARB) (760042 km2) é a maior bacia totalmente inserida em território Brasileiro, é a terceira bacia brasileira em potencial hidrelétrico e está situada na região de transição entre os biomas Amazônia e Cerrado. Assim, alterações no regime hidrológico decorrentes de mudanças do clima e a gestão inadequada dos recursos hídricos, podem comprometer a sua capacidade de geração de energia elétrica, bem como reduzir a sua capacidade de abastecimento e sustentabilidade. Diante do exposto, a fim de fornecer informações confiáveis sobre a hidrologia e subsidiar a estimativa, planejamento e gestão dos recursos hídricos atuais e futuros dessa importante região ecológica, os objetivos desta tese foram: (i) desenvolver a modelagem hidrológica da bacia hidrográfica do Tocantins-Araguaia (TARB) (760042 km2), considerando 46 seções de controle, por meio do modelo hidrológico Soil and Water Assessment Tool (SWAT); (ii) simular os impactos hidrológicos decorrentes de mudanças climáticas simuladas pelos modelos climáticos regionais Eta-HadGEM2-ES, Eta-MIROC5,  Eta-CanESM2 e Eta-BESM, associadas aos Cenários Representativos de Concentração RCP 4.5 e RCP 8.5, ao longo do século XXI; iii) simular os impactos no potencial de produção de energia elétrica nas usinas hidrelétricas de Serra da Mesa, Cana Brava, São Salvador, Peixe Angical, Lajeado, Estreito e Tucuruí proporcionados pelas mudanças climáticas; (iv) desenvolver modelos estatísticos de regionalização das vazões máximas, médias e mínimas (Qmax, Qltm, Q90%, Q95% and Q7,10) para a bacia do rio Tocantins (287405,5 km2), e (v) desenvolver a simulação hidrológica de uma importante área ecológica do Cerrado, que engloba o Parque Estadual do Jalapão, nos passos diário e mensal, por meio do SWAT. Os resultados mostraram que o modelo hidrológico SWAT foi capaz de reproduzir adequadamente os processos hidrológicos em 87% das seções de controle analisadas, as quais drenam 92,5% da área total da TARB. Para as sete seções de controle referentes às usinas hidrelétricas, foram obtidos para as etapas de calibração e validação, com passo mensal, valores do coeficiente estatístico de Nash-Sutcliffe (NSE) variando entre 0.84 e 0.95, o que qualifica o modelo como de alta performance para a simulação nas usinas. Os resultados relacionados aos impactos hidrológicos de mudanças climáticas indicaram reduções da vazão média mensal e do potencial de geração de energia elétrica durante todo o período analisado, para os quatro modelos climáticos (Eta-BESM, Eta-CanESM2, Eta-HadGEM2-ES e Eta-MIROC5) e ambos os cenários (RCP4.5 e 8.5), com exceção das projeções associadas ao modelo Eta-BESM para o RCP8.5 no período entre 2007 e 2040, onde foram projetados aumentos médios de 16% para as sete usinas. As maiores reduções foram projetadas sob o cenário RCP8.5 (Eta-CanESM2) para o final do século 21, sendo reduções de 78.0%, 76.2%, 79.7%, 80.7%, 85.5%, 85.3% e 83.5% para as usinas hidrelétricas de Tucuruí, Estreito, Lajeado, Peixe Angical, São Salvador, Cana Brava e Serra da Mesa, respectivamente. Quanto a regionalização das vazões máximas, médias e mínimas para a bacia do rio Tocantins, todos os modelos ajustados foram adequados de acordo com as estatísticas utilizadas. Logo, configuram-se como valiosas ferramentas para a estimativa de vazões em bacias não monitoradas dentro dos seus respectivos limites de regiões homogêneas. Por fim, o SWAT também foi capaz de modelar as vazões mensais e diárias da bacia hidrográfica que engloba o Parque Estadual do Jalapão, o que propiciou a geração de mapas com a distribuição espacial dos rendimentos específicos médio, mínimo e máximo (REmlt, REmin e REmax) na bacia, os quais indicaram que as áreas de proteção ambiental são as maiores produtoras de água em comparação com as demais partes da bacia. Portanto, esta tese fornece ferramentas de gestão e melhora a compreensão dos efeitos das mudanças climáticas na hidrologia e no setor energético da bacia hidrográfica do Tocantins-Araguaia e suas subbacias, com isso, espera-se que esta tese contribua para a sustentabilidade dos recursos hídricos no Brasil.