Un patrón de desarrollo urbano espacial racional es necesario para que China optimice la asignación de recursos urbanos y promueva un desarrollo urbano bajo en carbono. Aunque la investigación sobre la reducción de emisiones de carbono ha aumentado, pocos estudios examinan el impacto de los patrones de desarrollo urbano espacial desde una perspectiva espacial-estructural. Este estudio utiliza modelos de Durbin espaciales estáticos y dinámicos para analizar el impacto dinámico de los patrones de desarrollo urbano espacial en las emisiones de carbono, basándose en datos estadísticos a nivel municipal y datos de distribución global de población de alta resolución de LandScan desde 2004 hasta 2019. Los resultados empíricos muestran que (1) los patrones de desarrollo urbano espacial caracterizados por coeficientes de variación tienen una relación en forma de U invertida con las emisiones de carbono; (2) los efectos de derrame espacial directos tienen una relación en forma de U a largo plazo, mientras que los efectos indirectos tienen una relación en forma de U invertida; (3) al analizar la heterogeneidad de los tamaños de las ciudades y el área geográfica, cuanto más pequeña es la ciudad, más eficazmente el patrón de desarrollo urbano espacial compacto reduce las emisiones de carbono; y (4) los patrones de desarrollo urbano espacial compacto en el oeste suprimen las emisiones de carbono en comparación con las regiones este y central. Los hallazgos de este artículo tienen implicaciones políticas para optimizar los patrones de desarrollo espacial y lograr un desarrollo bajo en carbono en las ciudades chinas.