Los estudios que relacionan el creciente fenómeno de urbanización y medio ambiente térmico atraen la mirada de muchos científicos alrededor del mundo. La temperatura de la superficie terrestre es considerada una variable biofísica fundamentales para una amplia variedad de estudios de la atmósfera superficial. El fenómeno de Islas de Calor Urbano Superficial (SUHI) se refiere al aumento térmico de las áreas urbanas frente a las rurales circundantes, asociado a la capacidad de retención de energía calórica de los materiales de construcción. Este estudio investigó la influencia de la urbanización en el entorno térmico urbano, así como las relaciones de la temperatura superficial terrestre con otras variables biofísicas en Cartago-Colombia, usando 37 imágenes de las series Landsat TM/ETM + y OLI/TIRS adquiridas entre 2001 y 2020. La metodología para la caracterización del fenómeno utilizó técnicas estadísticas de Análisis de Componentes Principales (PCA) y Regresión Lineal Múltiple (MLR), que permitieron detectar las tendencias térmicas espaciotemporales y definir el aporte de cada variable sobre el modelo. Se evaluaron las técnicas de Aprendizaje Automático: Support Vector Machine y Random Forest para la identificación de zonas con propiedades térmicas similares. La ciudad ha experimentado un aumento de 2.7 °C entre la última década y la anterior. Los resultados de las métricas de calidad de los clasificadores indicaron que la caracterización del fenómeno fue confiable. La información de los patrones térmicos multitemporales, y la identificación de zonas extremadamente calientes sobre los paisajes urbanos, podrían ser de interés para los planificadores del territorio que buscan minimizar los efectos del fenómeno SUHI.