A intensificação da urbanização tem ampliado as superfícies impermeáveis, intensificando problemas de escoamento superficial e inundações urbanas. Nesse contexto, os telhados verdes destacam-se como alternativa sustentável para a gestão das águas pluviais, com desempenho potencializado pelo uso de geossintéticos, no qual podem sofrer influência do teor de umidade do substrato e do período de estiagem antecedente. Este estudo avalia a influência do teor de umidade do substrato e do período de estiagem no desempenho hidrológico de telhados verdes extensivos com geossintéticos. A pesquisa baseou-se em um protótipo experimental instalado no Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, em Natal/RN, submetido a simulações controladas de chuva com durações entre 10 e 60 minutos, intensidades de 0,07 a 0,57 mm/min e períodos de estiagem equivalente de até 10 dias. O desempenho foi avaliado a partir da capacidade de retenção da água precipitada e do volume necessário para o início do escoamento superficial. Os resultados indicaram retenção próxima de 100% para chuvas de baixa intensidade associadas a períodos de estiagem superiores a dois dias, enquanto, para substrato úmido (estiagem equivalente igual a zero), a capacidade de retenção variou entre 2% e 49%. Observou-se ainda aumento do volume de chuva necessário para o início do escoamento com o prolongamento da estiagem. Conclui-se que o desempenho hidrológico do telhado verde é fortemente condicionado pela umidade antecedente do substrato e pela sazonalidade das chuvas, devendo esses fatores ser considerados no dimensionamento desses sistemas em áreas urbanas.