本发明提供一种基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位方法，包括建立全球任意点的高度与大气折射指数之间的对应关系；根据光线初始点，确定入射光线矢量到下一分层的参考椭球面的交点，确定下一分层上的折射光线矢量；通过对大气精细分层逐渐降低定位点的高度，迭代解算光线与参考椭球面的交点，直到与真实地形表面相交，得到基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位点。本发明提出对大气折射的处理，使得地面点坐标更加精确，并且提出通过计算折射点处参考椭球面的法向量实现准确提取大气折射影响下的分层折射光线矢量，利用大气精细分层、逐渐迭代解算的方式实现，因此实施简便，定位精度高。