Introducción. En multitud de países las mujeres están infrarrepresentadas en las diferentes áreas STEM (acrónimo, en inglés, de Ciencias, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas) y, sin embargo, están sobrerrepresentadas en otros campos, tales como el de la salud, la psicología o la educación. La educación secundaria es considerada como una etapa crítica en la cual las chicas inician su distanciamiento de las ciencias y las matemáticas. Este estudio se propone, principalmente, profundizar en las relaciones entre la variable sexo, las expectativas de alumnos de 15 años de ejercer profesiones STEM y el rendimiento en Ciencias en España, y plantea finalmente algunas implicaciones para la educación científica. Métodos. Se ha establecido una distinción entre las expectativas profesionales relacionadas con las Ciencias en general y las propiamente STEM y se han efectuado análisis diferenciados, a partir de PISA 2015, sobre la relación entre esas expectativas en alumnos de 15 años edad, el rendimiento en Ciencias y la variable sexo, mediante análisis de covarianza, controlando la influencia del nivel socioeconómico y cultural (ISEC). Dichos análisis se han efectuado a nivel de España en su conjunto y de cada una de sus comunidades autónomas. Resultados. Los resultados obtenidos han permitido establecer empíricamente lo siguiente: una relativamente pequeña brecha de género en cuanto al rendimiento en Ciencias, una vez controlado el efecto del ISEC; una muy notable brecha de género en materia de expectativas profesionales STEM; la vinculación, particularmente en las chicas, entre vocaciones STEM y elevados rendimientos en Ciencias; y la diferente intensidad de la relación entre sexo y rendimiento por comunidad autónoma. Discusión. Dichos resultados se relacionan con evidencias anteriores, se presentan algunas de sus limitaciones y se efectúan recomendaciones en materia de enseñanza de las Ciencias en la educación secundaria.