La cuenca del río Hailiutu en el norte de China representa un área semiárida donde los ecosistemas dependientes de aguas subterráneas (GDEs) juegan un papel crítico en el mantenimiento de la estructura de la vegetación regional y la estabilidad ecológica. Este estudio investigó las dinámicas espaciotemporales de los GDEs y su relación con las condiciones hídricas utilizando análisis de tendencias, correlación parcial y modelos de Random Forest durante el período de 2002 a 2022. Los resultados muestran que la actividad de la vegetación (NDVI) aumentó a una tasa de 0.0052/año en los GDEs. La precipitación exhibió una tendencia ascendente en toda la cuenca de 0.735 mm/año, mientras que el SPEI aumentó a 0.0207/año. En contraste, el almacenamiento de aguas subterráneas disminuyó notablemente a -11.19 mm/año, destacando una reducción persistente en la disponibilidad de agua que representa un riesgo significativo para la estabilidad de los GDEs. Tanto el análisis de correlación parcial como el modelo de bosque aleatorio mostraron consistentemente fuertes interacciones ecohidrológicas entre la vegetación y las aguas subterráneas. Las dinámicas de la vegetación son impulsadas principalmente por la disponibilidad de aguas subterráneas, especialmente en ecosistemas dependientes de aguas subterráneas. Por el contrario, las variaciones en las aguas subterráneas están más fuertemente influenciadas por la vegetación. Los resultados indican que la precipitación y el índice estandarizado de precipitación-evapotranspiración (SPEI) son los principales impulsores positivos de la variabilidad interanual del NDVI, mientras que las aguas subterráneas juegan un papel crítico en el sostenimiento de los GDEs. Las observaciones de campo de especies clave confirman la dependencia de los GDEs de las aguas subterráneas, y las dinámicas de la vegetación están reguladas por el clima y las aguas subterráneas; sin embargo, la continua disminución de las aguas subterráneas puede amenazar la estabilidad del ecosistema. Estos hallazgos demuestran que la transpiración de la vegetación ejerce la influencia dominante sobre las variaciones de las aguas subterráneas, mientras que las aguas subterráneas simultáneamente restringen el crecimiento de la vegetación, particularmente en áreas donde las anomalías de almacenamiento de aguas subterráneas en declive (GWSAs) coinciden con un NDVI reducido. Los resultados enfatizan que el agotamiento continuo de las aguas subterráneas amenaza la sostenibilidad de la vegetación y las aguas subterráneas, destacando la necesidad de una gestión equilibrada de las aguas subterráneas y la vegetación en regiones áridas.