La restauración ecológica es una herramienta importante para evitar la degradación del suelo y mejorar la sostenibilidad de los ecosistemas. Como una definición espacial de la restauración ecológica, se reconoce que el espacio de restauración ecológica (ERE) tiene un impacto positivo en el medio ambiente. Sin embargo, su patrón espaciotemporal y la magnitud de su contribución a los servicios ecosistémicos (SE) siguen siendo inciertos. En este estudio, se desarrolló un modelo de trayectorias de restauración ecológica para investigar el patrón espaciotemporal y la evolución del ERE. Se utilizaron el modelo InVEST y la regresión ponderada geográficamente para evaluar la relación dinámica entre el ERE y los SE cruciales. Los resultados demostraron que, de 1990 a 2015, el área acumulada de ERE en la Cuenca del Río Amarillo (CRA) fue de 184,197.05 km2, siendo Mongolia Interior, Qinghai y Shaanxi las que tuvieron la mayor distribución. El cambio en el centro geográfico de tres subcategorías, espacio de restauración de bosques (ERB), espacio de restauración de pastizales (ERP) y espacio de restauración de arbustos (ERA), mostró una migración geográfica pronunciada. Mientras tanto, la distribución del ERE mejoró significativamente las condiciones de calidad del hábitat (CH), almacenamiento de carbono (AC) y conservación del suelo (CS) en el 75.48%, 71.86% y 56.75% de las cuadrículas, respectivamente. Este estudio proporciona una base científica para la conservación de ecosistemas y la gestión de tierras de la CRA.