Las áreas metropolitanas chinas han estado experimentando urbanización en las últimas décadas, lo que impacta la biodiversidad, las emisiones de carbono, las islas de calor urbano y la seguridad alimentaria. Sin embargo, la investigación sistemática sobre los patrones y factores de urbanización espacio-temporales a lo largo del gradiente urbano-rural rara vez se informa para el noroeste de China. Aquí, utilizamos datos de uso del suelo de 1980 a 2015 para explorar el cambio en el uso del suelo, la intensidad de la urbanización y los factores en el noroeste de China. Nuestros resultados muestran efectos directos e indirectos de la expansión urbana sobre la pérdida de tierras agrícolas, pero también heterogeneidad espacio-temporal en los patrones de urbanización. Mientras que los años anteriores estuvieron dominados por la infill y la conversión de tierras cerca de los centros urbanos, los años posteriores mostraron una urbanización dispersa siguiendo las limitaciones del terreno y los límites administrativos a costa de tierras agrícolas. Nuestro análisis de regresión de variables espaciales encontró una fuerte relación con factores de planificación urbana. El análisis espacial de los patrones de urbanización reveló un cambio indirecto en el uso del suelo en tierras agrícolas anteriores. Además, encontramos que la geografía regional y los sitios históricos influyeron considerablemente en la conversión de tierras. En general, nuestros hallazgos indican la necesidad de estrategias de planificación sostenible que sincronicen enfoques para la protección de tierras agrícolas y sitios históricos, y la consideración de características paisajísticas específicas de la región.