可持续的城市形态是城市低碳转型的关键，然而城市形态对居民生活能耗碳排放的作用机制尚存争议，这一定程度上限制了规划层面应对低碳转型的潜力。因此，利用长时序遥感影像与统计数据，采用梯度提升决策树模型，以黄河流域为例，探讨城市空间形态对居民用电、用气、供暖、交通和直接碳排放的异质性影响和非线性作用机制。结果发现：（1）城市建成区面积扩张导致不同类型居民生活能耗碳排放增加，但最大斑块占比在4%以内扩张时导致居民直接、用电和供暖碳排放先减排后增排，用气和交通碳排放呈波动变化。（2）城市建成区周长面积比在7—10左右使不同类型居民生活能耗碳排放均达到最低，面积加权平均形状因子在7以内增大，城市形态更为复杂，导致居民直接、用电、供暖和交通碳排放增加，用气碳排放先增加后减少。（3）城市紧凑度超过96%时，居民直接碳排放持续增加，用气碳排放经历先降低后增加的变化，用电、供暖及交通碳排放则相反。研究结果有助于从城市空间规划的角度为城市可持续发展和居民低碳生活方式转型提供政策启示。