本发明公开了一种基于优化故障特征频谱的机械故障诊断与状态监测方法，所述方法包括以下步骤：通过基于线性最优分离的优化故障特征频谱的方法，获取优化故障特征频谱；通过基于3维优化故障特征频谱的在线状态监测与故障诊断方法，实现设备的在线监测和故障诊断。本发明应用于机械故障诊断，可以在未知故障特征频率下明确故障特征频率，有助于故障机制明确；本发明提出的创新优化故障特征频谱技术，可以实现故障特征频率的自动确定与明确；基于优化故障特征频谱技术得到的3维在线更新优化故障特征频谱技术，可以实现机械装备的准确在线状态监测、早期故障时刻确定和早期故障诊断，并能够实时监测故障的演化，技术效果良好。