Esta investigación examina la proposición de que mejorar la innovación sostenible puede ser particularmente efectivo cuando el enfoque está en la estrategia, el aprendizaje automático y la digitalización. El estudio se centra específicamente en las complejas interacciones entre la alineación estratégica (AE), la innovación orientada a la sostenibilidad (IOS) y la transformación digital (TD) dentro de las pequeñas y medianas empresas (PYMES) en Arabia Saudita, particularmente en el sector de servicios. Se construyó un marco de mediación moderada para analizar la influencia de la AE en la IOS, el papel mediador de la TD y el efecto moderador de la orientación estratégica (OE). Los datos se recopilaron a través de encuestas estructuradas a 339 PYMES utilizando un diseño de investigación cuantitativa y una metodología transversal. Se empleó la técnica de modelado de ecuaciones estructurales por mínimos cuadrados parciales (PLS-SEM) para validar el marco y las hipótesis propuestas. Los resultados indican que la AE impulsa significativamente la IOS, siendo la TD un fuerte mediador en esta conexión. Además, la OE modera las relaciones entre la AE y la IOS, la AE y la TD, y la TD y la IOS, destacando su papel esencial en la configuración de la dinámica de la innovación sostenible. Estos hallazgos enfatizan la necesidad de alinear las iniciativas estratégicas con los avances digitales para fomentar una innovación que logre un equilibrio entre los objetivos económicos, sociales y ambientales. Este estudio contribuye a la literatura existente al llenar el vacío de investigación sobre la IOS y la TD en las PYMES sauditas y ofrece perspectivas prácticas para las PYMES que enfrentan desafíos de sostenibilidad. La investigación futura debería profundizar en las configuraciones de tecnología digital, los contextos específicos de la industria y las aplicaciones transnacionales para mejorar la aplicabilidad de estos hallazgos.