La restauración ecológica es crucial para mantener la seguridad ecológica nacional. La identificación científica y razonable de las áreas clave para la restauración ecológica es un problema difícil que enfrenta la planificación espacial nacional actual. Este estudio evaluó el suministro de servicios ecosistémicos (SE), la demanda y sus características espacio-temporales en la Meseta Loess del Norte de Shaanxi (NSLP). Se aplicó un modelo de grado de coordinación de acoplamiento (CCD) para estudiar la relación interactiva entre el suministro y la demanda de SE. Se utilizó un modelo mejorado de optimización por colonia de hormigas (ACO) para explorar las áreas prioritarias de restauración ecológica. Los resultados mostraron que el suministro, la demanda y el equilibrio de SE tenían diferencias espaciales significativas. Las áreas con mayor suministro de SE se distribuyeron en el sur, y las áreas con mayor demanda se ubicaron en las partes central y norte. El equilibrio de los servicios ecosistémicos mostró una tendencia creciente similar al suministro de SE de norte a sur. Temporalmente, el suministro, la demanda y el equilibrio de SE mostraron características de variación temporal distintas en diferentes tipos de servicios. El suministro total de SE disminuyó de 2000 a 2020, mientras que la demanda total de SE y el equilibrio primero disminuyeron y luego aumentaron. Además, el equilibrio total de SE mostró una tendencia decreciente significativa en el 21.22% de las regiones en el NSLP. Además, los resultados del CCD mostraron que alrededor del 82% de las regiones tenían un estado de desorden en 2000, mientras que alrededor del 90% de las regiones tenían un estado de coordinación de 2010 a 2020. Esto también implicó que el grado de coordinación de acoplamiento en la mayoría de las regiones mejoró gradualmente de 2000 a 2020. Finalmente, se identificaron cuatro prioridades de mejora de SE desde la perspectiva de aumentar la capacidad de suministro de SE. La priorización de la restauración ecológica de diferentes mejoras de SE mostró variaciones espaciales significativas, con el 15% superior del área de restauración ecológica ubicada en las regiones centro-este y centro-oeste. El 5% superior de los servicios ecosistémicos totales puede generar 2,470,400 yuanes en beneficios ecológicos. Esta investigación puede ofrecer orientación científica y teórica, así como una referencia para que los responsables de la toma de decisiones realicen esfuerzos de restauración ecológica.