O conhecimento da dinâmica da água no solo e a quantidade requerida pela cultura é fundamental para o planejamento e manejo agrícola. Nesse estudo, objetivou-se avaliar o desempenho dos modelos de Thornthwaite e Mather e Kc dual (FAO-56) para estimativa da umidade do solo e evapotranspiração da cana-de-açúcar em Rio Largo, AL. Medidas meteorológicas, da cultura e do solo foram obtidas na área experimental do Campus de Engenharia e Ciências Agrárias da Universidade Federal de Alagoas (UFAL). Os ajustes dos parâmetros da cultura e do solo (Kc, Kcb e f) foram realizados por técnicas de modelagem inversa, em que foram utilizados dados de umidade volumétrica medidos por sondas TDR e evapotranspiração real obtida pelo método do balanço de energia- razão de Bowen. Nos ajustes dos modelos, considerou-se o método Metropolis-Hastings. Os modelos foram avaliados pelos índices de desempenho por meio do índice de concordância de Willmott modificado (dw) (1985), coeficiente de determinação (r2 ), raiz quadrada média do erro (RQME), erros sistemáticos e não sistemáticos. A evapotranspiração real (ETR) total durante o ciclo estimada pelo modelo de Thornthwaite e Mather em escala diária variou entre 553,6 otimizado umidade volumétrica e 827,6 mm coeficientes tabelados FAO-56. A ETR para o modelo Kc dual variou entre 804,7 otimizado umidade volumétrica e 841,6 mm coeficientes tabelados FAO-56. Os valores de Kc ajustados (1,18), otimizados com ETR (0,90) e umidade volumétrica (0,38) foram inferiores aos valores da FAO-56 em 5,6, 28 e 69,6%, respectivamente. O Kc (0,38) obtido com umidade volumétrica no modelo de ThM resultou em menor evapotranspiração real. Os valores de Kcb otimizados com ETR (0,90) e umidade volumétrica (0,38) foram inferiores aos valores da FAO-56 em 25,8% e 13,3%, respectivamente. Os dois modelos subestimaram a umidade volumétrica e superestimaram a ETR diária em condição de P-ETc ≥ 0. Entretanto, foi observado melhor precisão e exatidão dos modelos para estimativa da ETR na condição de PETc ≥ 0. O melhor desempenho dos dois modelos para estimativa da umidade volumétrica diária foi obtida na condição de P-ETc< 0 quando otimizados com umidade volumétrica. Os modelos em escala decendial apresentaram desempenho superior a escala diária para estimativa da ETR e umidade volumétrica.