Los ecosistemas montañosos proporcionan a los humanos múltiples servicios ecosistémicos (SE), pero los cambios globales y las actividades antropogénicas amenazan el suministro de tales servicios en regiones áridas. Para mantener la seguridad ecológica regional y lograr la sostenibilidad del ecosistema, es esencial comprender las características espaciotemporales de los SE montañosos en regiones áridas y aclarar los principales factores impulsores de los diferentes SE. Utilizando la valoración integrada de servicios ecosistémicos y compensaciones (InVEST) y modelos de ecuación universal revisada de pérdida de suelo (RUSLE), evaluamos los SE proporcionados por las Montañas Tianshan de Xinjiang desde 2000 hasta 2020. La investigación mostró que: (i) durante los 20 años en cuestión, la calidad del hábitat y el almacenamiento de carbono se mantuvieron relativamente estables, mientras que la retención de suelo y el rendimiento de agua fluctuaron significativamente. (ii) Todos los pares de SE exhibieron sinergias. Las áreas de sinergia espacial se concentraron en las zonas noroeste y suroeste; las áreas de compensación espacial alternaron con las áreas de sinergia espacial. (iii) Los puntos críticos con al menos dos SE cubrieron el 73% de la región de estudio. Las áreas de altitud media y alta fueron las principales áreas de suministro de SE. (iv) Los tipos de uso del suelo fueron el principal factor impulsor de la calidad del hábitat y el almacenamiento de carbono, mientras que la precipitación media anual tuvo el mayor poder explicativo para el rendimiento de agua. La retención de suelo se vio principalmente afectada por la temperatura media anual y el índice de vegetación de diferencia normalizada. Nuestros hallazgos podrían proporcionar orientación a los responsables de políticas al desarrollar medidas para la conservación y gestión de ecosistemas.