Butia lallemantii Deble & Marchiori é uma palmeira anã típica de regiões arenosas e de elevações areníticas do bioma Pampa. Apresenta potencial econômico e uma grande importância ecológica. No entanto, as informações científicas ainda são insuficientes para utilização da espécie em programas de melhoramento genético e conservação. Nesse sentido, o objetivo do estudo foi quantificar a diversidade genética dentro e entre populações de B. lallemantii. Para isso, foram utilizadas três populações: São Francisco de Assis (1), Manoel Viana (2) e Alegrete (3). Dentro de cada população, foram avaliadas as seguintes características: massa do fruto (MF), diâmetro longitudinal do fruto (DLF), diâmetro equatorial do fruto (DEF), massa do pirênio (MP), diâmetro longitudinal do pirênio (DLP), diâmetro equatorial do pirênio (DEP) e massa do mesocarpo (MM). Na análise entre populações, além dos componentes de frutos, foi avaliada a altura da planta (AP), comprimento da folha (CFA), comprimento do folíolo (CFO), número de folíolos (NFO), número de frutos por infrutescência (NFI). As variáveis que mais contribuíram para a diversidade genética dentro e entre as populações foram MF, MP e MM. Houve maior diversidade genética dentro das populações do que entre as populações. O DLF foi a variável que apresentou maiores valores de correlações dentro das populações e o DLF e DLP foram as variáveis com maiores valores de correlações entre as populações. Os métodos de agrupamentos permitiram identificar populações e genótipos divergentes, que poderão ser utilizados em pesquisas de melhoramento e conservação da espécie.