La industrialización ha aumentado las emisiones de carbono a nivel global, lo que requiere medidas efectivas de mitigación del cambio climático. China, la nación en desarrollo más poblada, enfrenta el desafío de planificar las emisiones para cumplir con los objetivos nacionales de neutralidad de carbono. Sin embargo, la investigación sobre los impulsores y factores causales de las emisiones de carbono en regiones específicas es limitada, particularmente en las ciudades a nivel de prefectura. Este estudio estima los patrones espaciales y temporales de las emisiones de carbono en las ciudades prefecturales de China y utiliza modelos de regresión OLS y regresión por pasos para analizar el impacto de varios factores que influyen en las emisiones de carbono en estas ciudades. Los resultados revelan lo siguiente: (1) Las emisiones de carbono del país en general continúan creciendo durante 20 años, pasando de 3020.29 Mt en 2001 a 9169.74 Mt en 2020, con una tasa de crecimiento anual promedio del 5.71%; la región oriental ha visto una desaceleración gradual en las emisiones, mientras que la región occidental sigue experimentando un aumento. Las emisiones de carbono en las ciudades de cada subregión aumentan de manera constante. (2) Las emisiones de carbono en las ciudades a nivel de prefectura en China exhiben una fuerte autocorrelación espacial y agrupamiento (Z > 1.96, p < 0.05), con puntos calientes principalmente en las áreas costeras del este y puntos fríos en las regiones del noroeste al suroeste. (3) Los factores económicos y demográficos aumentan significativamente las emisiones de carbono, mientras que los efectos del clima y la urbanización son más complejos y variables. El crecimiento económico y el aumento de la población son los factores más significativos, pero existen variaciones regionales en los determinantes de las emisiones de carbono en las ciudades prefecturales subregionales. Estos conocimientos proporcionan valiosas perspectivas sobre la dinámica de las emisiones nacionales a nivel de prefectura, ofreciendo una base teórica para mejorar las estrategias de emisión de carbono en diversas jurisdicciones.