O tratamento do câncer colorretal (CCR) é multifacetado, envolvendo cirurgia, radioterapia, quimioterapia, e mais recentemente, a imunoterapia. Apesar dos avanços significativos, as terapias convencionais ainda enfrentam desafios, como a resistência tumoral, os efeitos adversos e eficácia limitada em estágios mais avançados da doença. Nesse contexto, vitanolídeos, uma classe de lactonas esteroidais, têm emergido como alternativas promissoras em estudos pré-clínicos. Neste trabalho, avaliamos a atividade citotóxica de cinco vitanolídeos de Athenaea velutina em linhagens celulares tumorais, investigando os mecanismos moleculares subjacentes. Os compostos demonstraram ampla citotoxicidade, com valores de CI50 variando entre 0,52 a 8,31 µM em células tumorais e 0,46 a 9,03 µM em células não tumorais, conforme ensaios de MTT. Entre os compostos analisados, o vitanolídeo 5 (AV5) destacou-se por reduzir a viabilidade de um painel heterogêneo de células de CCR. Os mecanismos de ação do AV5 foram investigados em HCT-116 e HCT-116 TP53-/-, indicando uma ação dependência de concentração e tempo. Em apenas 6 horas de tratamento, observou-se a perda da adesividade celular, redução na capacidade clonogênica, formação de organelas vesiculares ácidas (indicativas de autofagia) e reorganização do citoesqueleto. Após 24h de tratamento, os efeitos foram ampliados, incluindo vacuolização citoplasmática, figura de mitoses atípicas, acompanhados de parada do ciclo celular em G2/M e um discreto aumento de células em SubG1, sugerindo morte celular. Em nível molecular, o AV5 provocou danos ao DNA, demonstrados pela expressão aumentada de γH2AX e p21, além de bloquear o fluxo autofágico, por meio da modulação de Beclina 1, LC3-B e SQSTM1/p62. O composto também promoveu clivagem de PARP-1, mas não alterou os níveis de expressão de BCL-2 e BCL-XL. O efeito citotóxico do AV5 foi validado em um modelo de cultura tridimensional de esferoides, confirmando sua robustez. Conclui-se que o AV5 apresenta um potencial citotóxico atraente contra linhagens celulares de CCR, atuando por meio de múltiplos mecanismos, associados à parada do ciclo celular, autofagia e danos ao DNA. Esses resultados ressaltam o potencial terapêutico dos vitanolídeos de Athenaea Velutina e incentivam investigações futuras para explorar sua eficácia em modelos animais.