Caryocar brasiliense, popularmente conhecido como pequi, é uma espécie que apresenta alto teor de compostos fenólicos com propriedades biológicas. Neste trabalho, o processo de extração assistida por ultrassom, de compostos bioativos das folhas do pequi, foi otimizado com planejamento fatorial Box-Behnken. Quatro variáveis independentes foram avaliadas: concentração da amostra (relação:líquido-sólido (L-S), proporção de etanol na solução (EtOH/H2O % v/v), tempo de EAU (extração assistida por ultrassom) e temperatura.  A metodologia de Superfície de Resposta foi usada para apontar a variável mais importante no processo. Os resultados revelaram que a proporção EtOH/H2O (% v/v) tem o efeito mais significante na extração dos compostos fenólicos. A condição ótima para extração foi de etanol 60 %, tempo de EAU de 30 min, temperatura da EAU de 42 °C e L-S 18,7:1. Sob essas condições foram extraídos 6,30 mg EAG/g ES (n = 3) (mg de equivalente de ácido gálico/ g de extrato seco). Os valores experimentais observados confirmam a adequação do modelo empregado e seu sucesso para otimização das condições de extração.