Fisheries interactions with non-target marine vertebrates are a worldwide problem. The impact of coastal bottom trawl fisheries on marine mammals has never been evaluated before in the Río de la Plata Estuary and the adjacent Atlantic Ocean. Our aim was estimating the bycatch per unit effort (BcPUE) and incidental mortality rates of marine mammals caused by the industrial coastal bottom trawl fisheries fleet. We evaluated the mortality of three species (i.e., franciscana dolphin Pontoporia blainvillei, South American sea lion Otaria flavescens, and the South American fur seal Arctocephalus australis); these species are facing conservation problems either at the regional or local scale. We conducted an onboard data collection program of marine mammals' bycatch involving crew members of 10 vessels (30%) of the Uruguayan coastal bottom trawl fleet between January 2009 and April 2012. A total of 102 marine mammal individuals were bycaught during 490 fishing trips involving 2,398 fishing days. Mortalities estimated for franciscana dolphin were the highest among the species affected, with values adding up to ~100 individuals for year (with scenarios of population decline in the area), followed by South American sea lion with ~77 individuals by year (0.8% of local population) and the South American fur seal with an annual mortality estimate of ~25 individuals (~0.02% of local population). BcPUE showed significant temporal variation, with franciscana dolphin BcPUE varying seasonally and those of otariids according to their breeding season. Our estimates of marine mammal bycatch by bottom trawl fisheries should constitute an important input for the sustainable management of fisheries and the conservation of marine biodiversity in the southwestern Atlantic Ocean.La interacción de especies no objetivo con las pesquerías representa un problema a escala mundial. Varias especies de mamíferos marinos (i.e. delfin Franciscana-Pontoporia blainvillei, león marino sudamericano -Otaria flavescens) enfrentan problemas de conservación en el Oceáno Atlántico sur. En ésta área no ha sido evaluado el impacto de la pesquería industrial de arrastre de fondo costero. Nuestro objetivo fue estimar la Captura Por Unidad de Esfuerzo (CPUE) y la mortalidad incidental de mamíferos marinos causada por dicha flota. Los datos de captura incidental de mamíferos marinos se obtuvieron por medio de un programa a bordo que involucró a tripulantes de 10 barcos (30%) de dicha flota uruguaya entre enero/2009 y abril/2012. Fueron capturados incidentalmente102 individuos de mamíferos marinos durante 490 viajes de pesca que implicaron 2.398 días de pesca. La mortalidad estimada para la Franciscana fue la mayor, alcanzando valores de ~100 individuos por año (en un escenario de decline poblacional en el área de manejo). La siguiente especie con mayor mortalidad fue el león marino con ~77 individuos por año (0.8% de la población local) y el lobo fino (Arctocephalus australis) con una mortalidad anual de ~25 individuos (~0.02% de la población local). CPUE mostró variación temporal significativa, mientras en la Franciscana varió estacionalmente en ambas especies de otáridos varió de acuerdo a la estación reproductiva. Las estimaciones realizadas en este trabajo representan un aporte importante para realizer un manejo de la pesquería conservando la biodiversidad del Oceáno Atlantico Sur.