La variación en la estructura espacial urbana (ESU) tiene profundos impactos en las emisiones de carbono. Estudiar la relación entre ambos puede proporcionar orientación para las estrategias de neutralidad de carbono y la construcción de ciudades de bajo carbono en China. Sin embargo, actualmente hay una falta de investigación comparativa sobre las diferentes regiones dentro de una provincia. En este artículo, se investiga la evolución espaciotemporal de la ESU y las emisiones de carbono, en intervalos de cinco años desde 2000 hasta 2020, en 21 ciudades a nivel de prefectura en la provincia de Guangdong, China, y se analiza la relación general de la ESU con las emisiones de carbono y sus variaciones espaciotemporales utilizando un modelo de efectos fijos bidireccional y un modelo de regresión ponderada geográfica y temporal, respectivamente. Los resultados muestran que, en primer lugar, en los últimos veinte años, la escala de las ciudades ha seguido expandiéndose, con una creciente continuidad y agregación en las áreas construidas, mientras que la complejidad y fragmentación de sus formas han disminuido gradualmente. En segundo lugar, la brecha en las emisiones de carbono entre el Delta del Río Perla y otras regiones de Guangdong muestra una tendencia de primero disminuir y luego aumentar, con altos valores concentrados en la región del Delta del Río Perla y la ciudad de Shantou en el este. En tercer lugar, en comparación con los factores socioeconómicos, la ESU tiene un impacto más directo y pronunciado en las emisiones de carbono. La expansión urbana y la mayor complejidad de los parches de tierra promueven las emisiones de carbono, mientras que mejorar la continuidad y compactación espacial urbana puede reducir las emisiones de carbono. En cuarto lugar, los indicadores de estructura espacial dominantes de las emisiones de carbono difieren entre las regiones del este, oeste y norte de Guangdong y el Delta del Río Perla. Este estudio propone estrategias de optimización espacial para el desarrollo de bajo carbono de las ciudades en la provincia de Guangdong, proporcionando una nueva perspectiva para integrar el diseño urbano y las políticas de reducción de emisiones.