本发明公开了一种深冷条件下制备高强度钛合金的系统及工艺，该系统包括液氮罐、加工室、压头和压杆，加工室为一密闭容器，液氮罐的出口与加工室的内腔通过液氮输送管道连通，压杆贯穿加工室的顶部并与加工室之间密封，压头设置于压杆的顶部。本发明在加工前通入液氮充满加工室，加工过程中持续补充损耗的液氮，始终保持液氮环境氛围的深冷加工条件，极大克服了现有深冷加工工艺中深冷和加工分离操作所造成的温升控制困难和温度分布均匀性不佳的问题。本发明的深冷条件下加工钛合金，变形孪晶发生宽化和合并，并出现应力诱导相变现象。本系统及工艺下加工的钛合金组织弥散均匀，强度普遍高于室温条件大约1/2，具有较高的强度和优异的综合力学性能。