本发明提供一种基于压缩感知理论的全息图像高分辨率重建方法,包括以下步骤:步骤S1,获取多角度全息数据;步骤S2,将多幅低分辨率序列图像进行融合,提取先验信息,近似到一幅目标图像中;步骤S3,自学习稀疏字典重构,获取所述目标图像下采样图像,构成字典样本库,进行过完备字典训练,通过稀疏编码求稀疏表达系数,更新每个字典原子,采用重构算法求解目标方程以得到多个高分辨率图像块,然后对所述高分辨率图像块进行拼接,得到高分辨率全息图像。本发明还提供了相应的全息图像高分辨率重建系统。本发明提供的全息图像高分辨率重建方法和系统简化了重建过程,改善了重建效果。