Los patrones espaciotemporales de la expansión urbana han atraído la atención mundial y se han generalizado en varias hipótesis prevalentes, como la hipótesis de difusión-coalescencia y la hipótesis de tres tipos de crecimiento. Aunque muchos estudios han examinado la aplicabilidad de estas hipótesis, aún faltan investigaciones y evidencias a largo plazo. Este estudio incorporó un conjunto de datos compilado de imágenes de teledetección de múltiples fuentes y mapas históricos que cubren nueve instantáneas del área urbana construida desde 1914 hasta 2018 para monitorear el proceso de expansión urbana en Hangzhou, China. Se empleó un análisis fractal de la relación área-radio para la delimitación areal con el fin de explorar los patrones heterogéneos a través de diferentes extensiones espaciales intraurbanas. Los resultados muestran que (1) Hangzhou ha experimentado un período turbulento de urbanización primitiva en la era previa a la reforma y un período consecutivo de urbanización orientada al mercado después de la reforma económica; (2) el patrón de expansión urbana caracterizado por métricas de paisaje demuestra la existencia de múltiples alternancias entre fases de difusión y coalescencia con peculiaridades a través de diferentes extensiones espaciales intraurbanas; (3) el análisis de los tipos de crecimiento urbano documenta una predominancia consistente de la expansión en los bordes con fluctuaciones entre el relleno y el salto; y (4) la reforma institucional, el desarrollo industrial y el ajuste de la división administrativa son los principales impulsores de la expansión urbana en Hangzhou. Nuestros hallazgos sugieren que se necesitan políticas de planificación efectivas para frenar la expansión urbana. Se deben proponer estrategias de planificación diferenciadas para acomodar las condiciones únicas en diferentes subregiones urbanas. El enfoque de análisis integrado basado en imágenes de teledetección de múltiples fuentes y mapas históricos establece un camino viable para la investigación urbana a largo plazo.