En la era de la economía del conocimiento, la innovación se ha convertido en un énfasis clave para las competencias urbanas. Este artículo construye un marco teórico de investigación que integra las comprensiones básicas, los factores influyentes y los resultados que surgen de las relaciones de competencia innovadora entre ciudades. Con base en datos de los programas generales de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China desde 2005 hasta 2019, este artículo construye relaciones de competencia innovadora entre ciudades en China, analiza su distribución espacial y características cuantitativas, e investiga cuantitativamente el impacto de la capacidad de innovación urbana y la proximidad multidimensional (por ejemplo, proximidad geográfica, proximidad institucional y proximidad cognitiva) en las relaciones de competencia innovadora entre ciudades a través de un modelo binomial negativo. El estudio obtuvo los siguientes hallazgos: (1) En términos de las relaciones generales de competencia innovadora entre ciudades, la intensidad de las relaciones de competencia innovadora entre ciudades en China aumentó gradualmente de 2005 a 2019, con un agrupamiento espacial hacia ciudades con altos rangos administrativos (por ejemplo, municipios directamente bajo el gobierno central, ciudades subprovinciales y capitales provinciales); Pekín siempre está en el centro de las relaciones de competencia innovadora, pero su posición ha disminuido ligeramente en los últimos años. (2) Desde la perspectiva de las disciplinas, las ciudades pueden convertirse en referentes en campos particulares de competencias innovadoras al competir de acuerdo con sus fortalezas disciplinares; las relaciones de competencia innovadora entre ciudades en China varían según las diferentes disciplinas académicas. (3) En términos de factores influyentes, la capacidad de innovación urbana tiene efectos positivos significativos en las relaciones de competencia innovadora entre ciudades; la proximidad geográfica, la proximidad institucional y la proximidad cognitiva tienen efectos positivos significativos en las relaciones de competencia innovadora; y ocurren interacciones entre las proximidades multidimensionales, incluyendo un efecto complementario entre la proximidad geográfica y la proximidad institucional, un efecto sustitutivo entre la proximidad cognitiva y la proximidad geográfica, y un efecto sustitutivo entre la proximidad cognitiva y la proximidad institucional.