L'invention se rapporte à un procédé multifonctionnel d'hydrolyse et de fractionnement d'une biomasse lignocellulosique visant à séparer les sucres hémicellulosiques des autres composants de la biomasse tels que les solvants d'extraction et les protéines, une partie de la lignine solubilisée, la cellulose, le glucose dérivé de la cellulose, et la lignine insoluble de ladite biomasse. Ledit procédé consiste a) à introduire dans un réacteur une biomasse fraîche solide ou une biomasse lignocellulosique partiellement fractionnée, entraînée dans un flux d'eau ou d'acide, et à chauffer jusqu'à une température pouvant atteindre approximativement 185 DEG C à 205 DEG C; à faire en sorte que la réaction se poursuive jusqu'à un point où environ 60 % de l'hémicellulose est hydrolysée dans le cas où de l'eau est utilisée ou complètement dissoute dans le cas où de l'acide est utilisé; c) à ajouter un liquide acide dilué à un pH inférieur à 5 environ, à une température pouvant atteindre 205 DEG C environ, pendant un laps de temps pouvant durer approximativement 5 à 10 minutes; à hydrolyser les 40 % restants de l'hémicellulose dans le cas où de l'eau est utilisée; d) à arrêter la réaction à une température pouvant atteindre 140 DEG C environ de manière à arrêter toute réaction de dégradation et d'hydrolyse; et e) à introduire dans ladite chambre de réaction et à extraire simultanément de ladite chambre un flux d'acide dilué à un débit volumétrique et à une température pouvant atteindre approximativement 140 DEG C de manière à entraîner la majorité des composants solubilisés de la biomasse afin d'obtenir des rendements améliorés en sucres hémicellulosiques.