本發明提供一種基于壓縮感知理論的全息圖像高分辨率重建方法,包括以下步驟:步驟S1,獲取多角度全息數據;步驟S2,將多幅低分辨率序列圖像進行融合,提取先驗信息,近似到一幅目標圖像中;步驟S3,自學習稀疏字典重構,獲取所述目標圖像下采樣圖像,構成字典樣本庫,進行過完備字典訓練,通過稀疏編碼求稀疏表達系數,更新每個字典原子,采用重構算法求解目標方程以得到多個高分辨率圖像塊,然后對所述高分辨率圖像塊進行拼接,得到高分辨率全息圖像。本發明還提供了相應的全息圖像高分辨率重建系統。本發明提供的全息圖像高分辨率重建方法和系統簡化了重建過程,改善了重建效果。