Las aglomeraciones urbanas (AU) son el principal campo de batalla de la urbanización y las áreas más concentradas de emisiones de carbono (EC). Sin embargo, pocos estudios han examinado el impacto del nivel de urbanización (LU) en las EC en las AU en China. Este estudio tuvo como objetivo identificar la relación espacial entre el LU y las EC en las AU chinas y realizar un análisis exhaustivo de las diferencias en las EC causadas por la urbanización. Los hallazgos proporcionarían apoyo científico para los objetivos de carbono dual de China y el logro de un desarrollo urbano verde y bajo en carbono. Se evaluaron las variaciones espaciales en el LU y las EC en 19 AU chinas en 2000, 2010 y 2020 utilizando dinámicas de distribución y modelos de regresión espacial. Los resultados indicaron que el LU de las AU en China aumentó evidentemente con el tiempo, y las AU contribuyeron aproximadamente con el 80% de las EC nacionales. Se identificó una dependencia espacial significativa entre los factores de urbanización y las EC. Los resultados de la regresión indicaron que un aumento en el LU promovió el crecimiento de las EC, y la forma del suelo urbano tuvo un impacto significativo y altamente variable en las EC. Nuestros hallazgos proporcionan un valioso estudio de caso para explorar las relaciones entre el LU y las EC en otras AU en todo el mundo.