O objetivo deste estudo foi investigar a associação entre a organização dos serviços de saúde e as taxas de internações hospitalares por condições sensíveis à atenção primária após ajuste para variáveis socioeconômicas e demográficas no contexto dos municípios do Espírito Santo, Brasil. Estudo ecológico das internações do Sistema Único de Saúde (SUS) com as variáveis: internações hospitalares por condições sensíveis à atenção primária, porte municipal, indicadores demográficos, socioeconômicos, organização e indicadores de desempenho dos serviços de saúde. Realizou-se análise multivariável por regressão de Poisson com ajuste robusto da variância. Foram ajustados modelos para a população total e por faixas etárias. Ordenaram-se as variáveis explicativas segundo modelo hierarquizado. Houve associação a risco de internações hospitalares por condições sensíveis à atenção primária com o percentual de analfabetismo (RR: 1,08-1,17), proporção de leitos SUS (RR: 1,09-1,12), urbanização (RR: 1,02-1,03), proporção de negros (RR: 0,97-0,98) e cobertura de plano de saúde (RR: 0,97-0,98). Há determinantes das internações hospitalares por condições sensíveis à atenção primária que implicam no padrão de utilização dos serviços e estão fora do escopo da atenção primária.