高铁改变了非中心城市与中心城市的空间关联，通过强化知识溢出和优化创新要素布局配置，既提升了中小城市的企业创新能力，又拓展了其经济空间。本文采用全国285个地级及以上城市2009—2018年面板数据及2SLS工具变量法，系统研究了高铁开通后与中心城市在交通距离和通勤频率共同作用下城市空间关联的动态变化对非中心城市企业创新的影响。结果显示：与中心城市开通高铁显著提高了非中心城市的企业创新水平；非中心城市企业创新水平随着到中心城市的交通距离增加而衰减，通勤频率起到了正向调节作用；高铁开通后与中心城市的空间关联对企业创新能力的影响存在不同时段、企业性质、城市群的异质性。进一步分析发现：非中心城市企业创新水平与全国中心城市的交通距离存在“∽型”非线性关系，提高与中心城市的通勤频率能够整体提升非中心城市的企业创新能力。本文建议通过调整与中心城市的通勤频率优化高铁局部网络，构建多层级的创新外溢城市体系。