La autosuficiencia de granos es un objetivo nacional de seguridad alimentaria de China. Es necesario explorar cómo la expansión de tierras urbanizadas impacta en la pérdida de tierras cultivables y en la provisión de alimentos en las principales áreas productoras de granos. La provincia de Shandong es una región agrícola importante que también está experimentando una rápida urbanización. Aquí evaluamos la distribución espaciotemporal de la pérdida de tierras cultivables debido a la expansión de tierras urbanizadas y la dinámica del paisaje de tierras cultivables durante 2000-2020, utilizando datos de cobertura terrestre de 30 m de resolución. También analizamos el cambio potencial en el rendimiento influenciado por la pérdida de tierras cultivables. Los resultados mostraron que el área de tierras urbanizadas se expandió en 5199 km2 de 2000 a 2010, y en 11,949 km2 de 2010 a 2020. Aproximadamente el 95% de las nuevas tierras urbanizadas provino de tierras cultivables durante las dos etapas, y el modo principal de expansión de tierras urbanizadas fue la expansión en los bordes. La densidad de parches y el tamaño de los parches de tierras cultivables siguieron aumentando y disminuyendo, respectivamente, y el índice de agregación siguió disminuyendo de 2000 a 2020, lo que indica un aumento en la fragmentación de las tierras cultivables. La proporción de tierras cultivables ocupadas con un rendimiento potencial superior a 7500 kg/ha fue del 25% y del 37% durante el primer y el segundo período. Por lo tanto, tierras cultivables de mayor calidad fueron invadidas en el período reciente. Los hallazgos podrían proporcionar implicaciones significativas para la elaboración de estrategias de desarrollo sostenible del uso de la tierra en el área de estudio y en otras regiones similares.