La relación entre la urbanización y los servicios ecosistémicos (SE) es un pilar fundamental para lograr un desarrollo sostenible. Sin embargo, los patrones de evolución de las sinergias entre la urbanización y los servicios ecosistémicos (UES) bajo la polarización económica en el proceso de urbanización rápida siguen siendo poco comprendidos. Este estudio integra el índice de Moran local bivariado y métodos de análisis de correlación para examinar la relación entre la urbanización y tres SE clave (producción de agua, secuestro de carbono y producción de alimentos) desde 2000 hasta 2020 y explora el impacto de las disparidades intraurbanas en la relación entre la urbanización y los SE. Los hallazgos revelaron que la urbanización y los tres servicios ecosistémicos mostraron tendencias crecientes durante 2000-2020 simultáneamente. El patrón de agregación espacial de la urbanización y los servicios ecosistémicos mostró variaciones menores de 2000 a 2020. Hubo una agregación Alta-Alta entre la urbanización y la producción de agua en áreas urbanas construidas y principalmente agregaciones Alta-Baja entre la urbanización, el secuestro de carbono y la producción de alimentos. Además, el impacto de la urbanización en los SE disminuyó con el aumento de la polarización urbana. En particular, la región de Beijing-Tianjin-Tangshan aún demostró una pronunciada polarización económica, sugiriendo disparidades en el desarrollo económico dentro de su núcleo urbano. Este estudio destaca la importancia de mitigar los efectos adversos de la polarización urbana en los SE y fomentar ecosistemas urbanos resilientes y sostenibles en regiones en rápido desarrollo.