本发明涉及材料热物性参数测试技术领域，公开了一种正交各向异性固体材料热扩散系数测试系统及方法，包括测试试样、恒温水浴箱、试样固定装置、数据采集系统，所述恒温水浴箱包括水浴箱体、水浴箱盖、水浴箱控制器，所述试样固定装置包括固定盖、调节螺栓、固定十字架、石墨烯贴纸、绝热材料、耐热橡皮筋，所述数据采集系统包括热电偶、A/D转换器、稳压电源、USB转RS485通讯转换器、笔记本电脑。本发明基于非稳态导热乘积法，利用恒温水浴和石墨烯贴纸构建试样恒温边界，利用绝热材料构建试样绝热边界，建立三维正交非稳态传热模型，取级数前六项结合随机共轭梯度法，实现正交各向异性固体材料x、y、z三个方向热扩散系数的同时反演。