A estrutura espacial da ilha urbana de calor (IUC) tem sido estudada a partir do monitoramento da temperatura da superfície usando técnicas de sensoriamento remoto e em resolução relativamente fina (80-120 m), porém a temperatura do ar não é considerada. Para superar essa limitação, este estudo estimou a evolução espaço-temporal da IUC na cidade de Londrina (PR) durante o verão de 2011–12 usando uma combinação de dados in situ, sensoriamento remoto e regressão linear múltipla (RLM). A RLM modelou a temperatura do ar em fina escala (10 m) para o período diurno e noturno, identificando as principais variáveis preditoras responsáveis pela intensificação da IUC e seu vínculo com a escala sinótica. O modelo diurno explicou 51% da variância observada e identificou a irradiância, cobertura de nuvens e pressão atmosférica como principais preditores; já o noturno explicou apenas 25% da variância, e identificou a quantidade de vegetação e cobertura de nuvens como principais preditores. A IUC se mostrou favorecida por sistemas meteorológicos de alta pressão, atingindo intensidades de até 5,0 ºC durante a noite. Apesar do resultado não satisfatório dos modelos, as equações identificaram os principais preditores e explicaram de forma aproximada a física do problema.