Este estudio desarrolla un marco analítico integrado para examinar la interacción de la urbanización, el consumo de energía y las emisiones de CO2 a nivel de ciudad en China. Utilizando el método Entropía-TOPSIS para la medición multidimensional de la urbanización, el modelo GM_Combo para el análisis de derrames espaciales y Random Forest para identificar los impulsores de las emisiones, analizamos datos de 282 ciudades chinas desde 2006 hasta 2020. Los resultados revelan diferencias jerárquicas significativas en la urbanización, con el agrupamiento K-means identificando grupos de urbanización alta, media y baja que reflejan diversas trayectorias de desarrollo regional. El consumo de energía impulsa cada vez más las emisiones, mientras que la influencia de la urbanización disminuye, lo que indica un desacoplamiento parcial. Fuertes derrames espaciales destacan la necesidad de coordinación regional. Los activos ecológicos proporcionan efectos de mitigación moderados. Estos hallazgos contribuyen a la literatura al introducir un índice de urbanización multidimensional, descubrir dinámicas no lineales de energía-emisiones y cuantificar los derrames interurbanos, ofreciendo apoyo empírico para políticas de bajo carbono adaptadas y una gobernanza urbana sostenible.