Objetivos: Caracterizar o processamento sensorial de crianças com atraso do desenvolvimento neuropsicomotor assistidas em um Programa de Estimulação Precoce. Metodologia: Estudo quantitativo, descritivo, analítico e transversal realizado em um hospital de referência de Pernambuco. Participaram deste estudo 24 responsáveis de crianças com faixa etária de 0 a 35 meses que estavam sendo atendidas pelo serviço. Para o grupo até 6 meses, foi utilizado o instrumento Perfil Sensorial 2 do Bebê e para o grupo acima de 7 meses, o Perfil Sensorial 2 da Criança Pequena, de prática aplicabilidade. Resultados: A maioria das crianças do grupo de até 6 meses apresentaram desempenho não esperado (hiperresponsividade) para os padrões de processamento sensorial. No grupo de crianças acima de 7 meses, foi observado um desempenho esperado para a maioria nos quadrantes e nas seções sensoriais (geral, auditivo, tato e oral) com exceção das seções sensoriais visual, movimento e comportamental (hiperresponsividade e hiporresponsividade). Conclusão: As crianças com atrasos no desenvolvimento neuropsicomotor apresentaram respostas diferentes para os padrões de processamento sensorial, seja para mais (hiperresponsividade) ou menos (hiporresponsividade), sendo recomendado o acompanhamento com a equipe multidisciplinar para o planejamento de estratégias direcionadas as respostas que mais afetam a sua participação.