Las ciudades montañosas con topografías complejas siempre han sido áreas altamente vulnerables al cambio ambiental global, propensas a peligros geológicos, cambio climático y actividades humanas. Explorar y analizar la vulnerabilidad de los sistemas acoplados en las ciudades montañosas es de suma importancia para mejorar la resiliencia regional y promover el desarrollo regional sostenible. Por lo tanto, se propone un marco integral para evaluar la vulnerabilidad espacial de las ciudades montañosas. Se construye un sistema de índices de evaluación de vulnerabilidad utilizando tres sistemas funcionales: protección ecológica, producción agrícola y construcción urbana. Posteriormente, se combinan la red neuronal BP y el algoritmo genético (GA) para establecer un modelo de evaluación de vulnerabilidad, y se introduce la regresión ponderada geográficamente (GWR) para analizar la influencia espacial de los sistemas unidimensionales en el sistema acoplado. Linzhou, una ciudad montañosa típica en el límite entre los terrenos de segundo y tercer escalón de China, fue seleccionada como estudio de caso para demostrar la viabilidad del marco. Los resultados mostraron que la vulnerabilidad del sistema de protección ecológica estaba altamente agregada en la región este-central, la del sistema de producción agrícola era alta en el oeste, y la del sistema de construcción urbana era baja en la región central y alta en la región noroeste. La vulnerabilidad del sistema acoplado se caracterizó por una distribución multiespacial. La topografía y geomorfología complejas y los peligros naturales resultantes son las causas subyacentes de los resultados de vulnerabilidad. El impacto de los sistemas ecológicos y urbanos en la vulnerabilidad del sistema acoplado es más prominente. El marco propuesto puede servir como referencia para evaluaciones de vulnerabilidad de otras ciudades montañosas similares con topografías escalonadas para apoyar la formulación de estrategias de desarrollo sostenible.