本发明公开了一种具有球面回转跳动误差补偿功能的激光跟踪测量系统及其补偿方法,包括:水平转台,水平转台上安装有支架,支架上安装有球面回转机构,所述球面回转机构包括标准球、中心开口的支撑板、第一位移传感器、第二位移传感器,以及激光头,标准球设置于支架的中心,支撑板的中心开口穿过标准球后安装于支架上,第一位移传感器和第二传感器位于激光头所射激光束的反向延长线上,并且位于标准球的两侧。由于标准球设置于球面回转机构的中心,与支撑板不接触,并通过测量量和标定量精确获得球心与目标点的距离,进而对球面激光跟踪机构的球面回转跳动误差进行补偿,从而在激光跟踪机构回转跳动大的情况下达到很到的测量精度。