El espacio verde urbano puede ayudar a reducir la concentración de PM2.5 mediante procesos de absorción y deposición. Sin embargo, pocos estudios se han centrado en la influencia histórica del espacio verde sobre el PM2.5 a una escala de cuadrícula fina. Tomando como ejemplo la ciudad central de Wuhan, este estudio ha analizado la tendencia espaciotemporal y la relación entre el espacio verde y el PM2.5 en las últimas dos décadas. Los resultados han mostrado que: (1) la concentración de PM2.5 alcanzó un valor máximo (139 g/m3) en 2010 y disminuyó posteriormente. Los valores del índice I de Moran del PM2.5 estaban en una tendencia a la baja, lo que indica una distribución más dispersa; (2) de 2000 a 2019, el área total de espacio verde disminuyó en un 25.83%. La reducción de parches más grandes, el incremento en la diversidad de la cobertura del suelo y una menor conectividad llevaron a patrones espaciales fragmentados del espacio verde; y (3) los resultados de la regresión mostraron que los grandes parches de espacio verde estaban significativamente correlacionados con la concentración de PM2.5. La diversidad del uso/cobertura del suelo se correlacionó negativamente con la concentración de PM2.5 en la regresión lineal ordinaria. En conclusión, preservar grandes hábitats naturales nativos puede ser una medida complementaria para aumentar la función de purificación del aire del espacio verde. Para las ciudades en proceso de reducción de PM2.5, mejorar los patrones paisajísticos del espacio verde proporciona una solución beneficiosa para abordar la contaminación del aire y mejorar el bienestar humano.