在长三角实施区域一体化发展战略背景下，探究其创新能力的区域特征及其长期的时空发展变化趋势，为长三角地区提高创新能力、实现一体化高质量发展提供参考。选取长三角中心区27个城市2000—2019年的面板数据，基于熵值法从创新基础条件、创新技术能力、创新教育投入、产业集聚度和创新开放度5个维度进行区域创新能力评价和分类，同时通过聚类和冷热点分析考察其创新能力时空演化格局、创新能力提升路径。结果表明：长三角中心区创新能力整体呈增长态势，可分为快速发展、稳步发展和缓慢发展3个阶段，创新技术能力逐渐取代创新基础环境成为影响创新能力的首要维度，东部热点城市数量逐渐增加；微调首位型、波动中位型城市均需将创新基础条件和创新技术能力作为提升创新能力的重要维度，平稳后位型城市则需重点提升创新基础条件和产业集聚度。最后从长三角地区构建开放融合的创新生态环境、正视内部创新能力差异巨大现实、加强产业分工协作和牢筑创新基础条件等方面提出相关对策建议。