本发明的实施例提供了一种三维真空运动系统及其应用，涉及机械运动平台设计领域。该三维真空运动系统包括：设置于真空腔内的运动组件和设置于真空腔外的驱动组件；驱动组件包括真空动密封件、直线轴承、电动缸和电机，电动缸与电机连接，真空动密封件的两端分别与电动缸的推力杆和直线轴承连接；运动组件包括相互连接的X轴运动装置和Y轴运动装置以及与X轴运动装置或Y轴运动装置连接的Z轴运动装置；驱动组件为三个且分别用于驱动X轴运动装置、Y轴运动装置和Z轴运动装置。该系统可实现大载荷、高速度、高精度的三维运动，且在高温、高真空、长时间下服役下稳定运行。其可广泛应用于3D打印设备、真空镀膜设备或真空冶金设备中。