Aclarar los patrones espacio-temporales de las relaciones de compensación/sinergia de los servicios ecosistémicos (ESTSs) y su atribución en la Cuenca del Río Amarillo es crucial para construir una civilización ecológica en China. Este estudio primero analizó el cambio espacio-temporal de los servicios ecosistémicos (ESs) incluyendo la producción de agua, la conservación del suelo, la captura de carbono y la calidad del hábitat en la Cuenca del Río Amarillo durante 2000-2020, basado en los modelos InVEST y RUSLE. Luego, se utilizaron métodos de autocorrelación espacial para cuantificar la diferenciación espacio-temporal de los ESTSs, y se empleó el método Geo-detector para identificar las contribuciones de los factores impulsores asociados con los aspectos naturales, socioeconómicos y de políticas regionales de los ESTSs. Finalmente, se utilizaron métodos de bosque aleatorio y análisis de varianza para validar la razonabilidad de los principales factores impulsores obtenidos por el Geo-detector. Los principales hallazgos incluyen: (1) Entre 2000 y 2020, la producción de agua, la conservación del suelo y la calidad del hábitat aumentaron, mientras que la captura de carbono disminuyó. Los ESs presentaron un patrón espacial alto en el este y bajo en el oeste. (2) En general, hubo relaciones sinérgicas entre los cuatro ESs. En la distribución espacial de los ESTSs, la expansión de la zona de sinergia y la zona de compensación ocupó la mayoría. Las zonas de sinergia tendieron a concentrarse en el noroeste y sureste del área de estudio. En contraste, las zonas de compensación estaban más dispersas que la zona de sinergia, enfocándose principalmente en las partes centro-este y suroeste de la Cuenca del Río Amarillo. (3) Tanto el Geo-detector como el bosque aleatorio mostraron que los factores naturales tenían un fuerte poder explicativo sobre los ESTSs, en el que el NDVI es un factor clave. Tanto los resultados del Geo-detector como el análisis de varianza mostraron que las interacciones entre los factores naturales ejercieron la influencia más significativa sobre los ESTSs, seguidas por la interacción entre los factores naturales y los factores socioeconómicos.