Os arbovírus representam um importante problema de saúde pública mundial, especialmente em países endêmicos para o vírus dengue (DENV), onde a cocirculação dos vírus Zika (ZIKV) e Chikungunya (CHIKV) dificulta o diagnóstico diferencial, a vigilância epidemiológica e a notificação adequada dos casos. Além disso, a evolução genômica e a introdução de novos arbovírus favorecem o surgimento de mutações, aumentando transmissibilidade, virulência e risco de epidemias. O estudo descreveu o perfil epidemiológico, laboratorial e molecular das arboviroses de casos suspeitos notificados no sudeste de Mato Grosso durante a emergência do ZIKV no Brasil, além de avaliar o desempenho diagnóstico da nested-RT-PCR e caracterizar a circulação e diversidade genética dos vírus ZIKV e DENV. As características clínico-epidemiológicas, moleculares e filogenéticas foram avaliadas em um estudo retrospectivo com amostras de pacientes com síndrome febril aguda notificadas entre 2015 e 2016, caracterizando a circulação e diversidade genética. Foram realizados ensaios de RT-qPCR e nested-RT-PCR para avaliação diagnóstica e análises filogenéticas para investigação dos padrões evolutivos e das linhagens virais circulantes em um cenário de cocirculação de arbovírus. Foi observada predominância do sexo feminino (63%). A média de idade foi de 32 anos, com maior frequência entre 19 e 59 anos (44,7%) e 28,4% autodeclarados brancos. Apenas 4 participantes residiam na zona rural, sendo 3 indígenas. As manifestações clínicas mais frequentes incluíram sintomas musculoesqueléticos (22,8%), febre (13,7%) e exantema (12,6%). As análises moleculares resultaram em 16 e seis amostras positivas para ZIKV e DENV, respectivamente. O ensaio nested-RT-PCR demonstrou concordância moderada (kappa = 0,49) para DENV, com VPP e VPN de 40,00% e 99,42%, respectivamente. A detecção de ZIKV apresentou concordância regular (kappa=0,29), com VPP e VPN de 100% e 92,61%, respectivamente (p < 0,05). As taxas de acurácia diagnóstica foram de 97,76% para DENV e 92,74% para ZIKV. A sensibilidade e especificidade para DENV foram de 66,66% e 98,29%, respectivamente, enquanto a detecção de ZIKV apresentou sensibilidade de 18,75% e especificidade de 100%. As análises filogenéticas revelaram que os isolados de ZIKV pertenciam à linhagem Asiática/Americana e os de DENV-2 à linhagem brasileira BR04 do genótipo Asiático/Americano. Além disso, foram identificadas uma (R3062F) e cinco (S2716T, Y2738H, I2758T, I2762V e I2767V) mutações não sinônimas na proteína NS5 de ZIKV e DENV, respectivamente. Este estudo forneceu caracterização dos aspectos clínicos, epidemiológicos e laboratoriais relacionados à emergência do ZIKV em um cenário de endemicidade para DENV, contribuindo para a compreensão da introdução e da cocirculação de um novo arbovírus em regiões previamente afetadas por outras arboviroses. Os resultados demonstraram que a RT-qPCR permanece como o método laboratorial mais confiável para o diagnóstico de casos suspeitos de febre do dengue e febre do zika, oferecendo maior sensibilidade, precisão e rapidez na confirmação diagnóstica, essenciais para o manejo clínico adequado dos pacientes e para a vigilância epidemiológica, apesar da elevada acurácia analítica global observada para a nested-RT-PCR. Além disso, os achados reforçam a relevância da vigilância molecular e epidemiológica contínua, especialmente em regiões caracterizadas pela cocirculação viral e elevado risco epidêmico, uma vez que o monitoramento sistemático da diversidade genética e da evolução dos arbovírus é fundamental para compreender possíveis alterações na dinâmica de transmissão, emergência de variantes virais e potenciais impactos sobre futuros surtos e epidemias.