2003年，英国政府发表能源白皮书《我们能源的未来：创建低碳经济》（UK Government 2003），低碳经济的概念首次在政府发布的报告中提出并引发强烈关注。尽管当时还没有直接提出低碳城市的概念，但集低碳电力、低碳工业、低碳建筑、低碳交通、可再生能源开发于一体的城市发展道路，被视为低碳经济发展的关键载体而广泛研究。在此基础上，英国的碳信托基金会与能源节约基金会联手，大力推动低碳的城市建设，布里斯托、利兹和曼彻斯特被确认为首批示范城市。随着研究的深入，人们逐渐认识到没有低碳社会就无法发展低碳经济，没有社会成员尤其是消费者的广泛支持，政府也无法施行有力的节能减排政策与措施。低碳社会的概念由日本国立环境研究所在2007年正式提出，具体指“由于低碳排放带来气候稳定前提下的富有的、可持续的社会”。同时，日本确立了到2050年排放量在1990年水平上降低70%的目标，并提出了低碳社会规划行动方案，其中特别提到应大力提倡节俭，目标是通过更简单的生活方式达到高质量的生活。不难发现，低碳经济、低碳社会是低碳城市的内涵，而低碳城市则是其载体。
到目前为止，低碳城市还没有明确的定义，但现有概念基本可以从三个维度来加以理解：第一以经济发展转型为核心，强调低碳生产、工业低碳化、产业升级；第二关注生活领域与行为引导，强调衣食住行的低碳化；第三从城市规划和政府管理的角度出发，强调顶层设计与制度创新的重要意义。
国际气候组织（The Climate Group）认为，低碳城市是指“在城市内践行低碳经济，实现城市的低碳排放，甚至是零排放”。同样以低碳经济和发展为核心的概念，如世界自然基金会（WWF）提出“城市在经济高速发展的前提下，保持较低水平的能源消耗和二氧化碳排放”。袁金星等学者指出低碳城市发展以低碳技术为核心，以低碳产业为抓手，采取低能耗、低排放、低污染的发展模式。广州市社会科学院的相关研究指出低碳城市是以可持续发展为终极目标的城市。
关注生活领域与行为引导的低碳城市定义起初多见于国外学者的研究当中，近年来在国内也得到广泛关注。《How to live a low-carbon live》将低碳城市描述为崇尚节俭，追寻简单生活方式，由此实现碳减排的地方。Newman P提出消费者崇尚绿色出行，减少汽车使用，自觉减少排放的城市就是低碳城市。中科院可持续发展战略研究组指出低碳城市应通过实施绿色交通和建筑转变居民消费观念，并创新相关低碳技术，最大限度地减少城市的温室气体排放。
治理维度的低碳城市理念往往包含更深入的思考，比如低碳城市规划除了强调减少排放、减缓气候变化外，还应包含适应气候变化的内容，后者对于城市来说可能更为迫切。李增福认为，要实现低碳城市，必须对城市进行恰当的区域规划，低碳城市应具有健全的基础设施，完善的公共交通网络以及节约集约的土地利用方式。Jenny Crawford以针对英国的研究为基础，提出低碳城市必然是其规划系统对新技术有较高的适应度和准备度的城市。
综合来看，低碳城市的概念已经有了较为清晰的轮廓：低碳城市并不放弃发展，但其经济发展应建立在更低碳的产业、更低碳的能源的基础上，低碳城市应当是可持续发展的城市；低碳城市并不放弃高质量的生活，而是将其建立在更加绿色低碳的衣食住行和崇尚节俭的生活方式与态度上，低碳城市应当是以人为本的宜居城市；低碳城市对管理者提出了更高的要求，需要制定更为科学的总体规划、创新管理机制，低碳城市本身也意味着城市对新机制有着较高的适应度，低碳城市应当是创新治理的城市。
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