Modelos matemáticos agrometeorológicos que relacionam a fenologia, a bienalidade e a produtividade do cafeeiro, foram desenvolvidos e testados para Mococa (SP), a partir de série de dados de produtividade de cafeeiros adultos, variedade Mundo Novo, correspondente ao período de 1966/67 a 1973/74. Os modelos baseiam-se na penalização da produtividade potencial, em função da produtividade do ano anterior e das relações ER/EP (evapotranspiração real e potencial), derivados de balanços hídricos decendiais seqüenciais durante os estádios fenológicos, considerando 16 combinações diferentes. A penalização é feita à medida que haja restrição hídrica para a planta durante os diferentes estádios fenológicos, considerando coeficientes de resposta da cultura ao suprimento hídrico, incorporados numa função aditiva ou multiplicativa. O modelo com penalização aditiva apresentou melhor desempenho na parametrização dos coeficientes em relação ao multiplicativo. Os melhores ajustes entre dados observados e estimados foram obtidos com modelo aditivo que relaciona o fator hídrico durante os trimestres (combinação D1) jun./jul./ag.; set./out./nov. e dez./jan./fev., os quais apresentaram coeficientes de resposta da cultura ao suprimento hídrico (ky) de +0,38 (ky1), +0,61 (ky2) e +0,18 (ky3), respectivamente, para os estádios fenológicos da dormência das gemas/início do florescimento, florescimento/formação do grão e formação do grão/maturação. As magnitudes dos valores de ky1 e ky2 revelam que a produtividade do cafeeiro é particularmente sensível ao estresse hídrico durante os estádios fenológicos do florescimento e formação do grão. O teste do modelo apresentou boas estimativas, com coeficientes de determinação de 0,93 e índice de concordância (d) de 0,98.