Partindo da constatação que os sistemas de indicadores são instrumentos de apoio às políticas públicas e gestão sustentável das cidades, o artigo objetiva identificar os desafios do processo de construção dos sistemas de indicadores urbanos para análise e monitoramento da sustentabilidade das cidades. De tal modo, realizou-se um ensaio teórico sobre sustentabilidade e sistemas de indicadores urbanos, com foco para os principais desafios desse processo. A partir desse estudo, constatou-se que para construção de sistemas de sustentabilidade que sirvam de apoio às políticas públicas urbanas, deve-se partir da compreensão do espaço urbano investigado, adotando uma concepção teórica abrangente aos problemas urbanos para contemplar as diversas dimensões da sustentabilidade. Ademais, deve-se utilizar metodologias adequadas para reduzir a subjetividade da sustentabilidade e a fragilidade de alguns indicadores, no tocante à disponibilidade, qualidade e atualização de dados, dotando-os da capacidade de provedor de informações para subsidiar o desenvolvimento urbano sustentável.