Mejorar el entorno térmico urbano puede aumentar el bienestar de las personas. Sin embargo, no estaba claro cuáles índices de uso/cobertura del suelo (LU/LC) eran óptimos para explicar las temperaturas de la superficie terrestre (LST) y cómo afectaban a las LST en ciudades de diferentes zonas climáticas, especialmente durante la noche. Así, se utilizaron principalmente los datos de Aqua/MODIS y Landsat/OLI para explorar los índices óptimos de edificios, vegetación, agua y suelo desnudo y analizar sus efectos en las LST en once centros urbanos de distintas regiones climáticas globales. Los resultados mostraron que varios índices de LU/LC tenían altas probabilidades de ser índices óptimos para explicar las LST bajo diferentes condiciones. Las LST diurnas estaban generalmente significativamente correlacionadas negativamente con los índices de vegetación y correlacionadas positivamente con los índices de edificios y suelo desnudo (p < 0.05). Estas relaciones eran más fuertes en verano que en invierno. Las LST nocturnas estaban generalmente significativamente correlacionadas positivamente y negativamente con los índices de edificios y vegetación en verano, respectivamente (p < 0.05). Estas correlaciones eran generalmente más débiles durante la noche que durante el día. Las LST nocturnas estaban significativamente correlacionadas positivamente y negativamente con los índices de agua y suelo desnudo, respectivamente (p < 0.05). Comúnmente existían regresiones lineales múltiples significativas entre las LST diurnas y nocturnas y cuatro tipos de índices de LU/LC (p < 0.05). Estos hallazgos ayudaron a optimizar el confort térmico urbano, reducir las LST de la ciudad, etc.