本发明公开了一种时空联合相关单光子计数三维成像方法，首先，对图像进行逐像素预处理，根据信号光子的时间相关性，形成光子聚集簇，筛选阈值范围内的光子，并构成每个像素一个聚集簇的小集合，进而滤除大量噪声光子，压缩数据量，降低计算成本；其次，根据邻域空间相关性，补全整个图像中的空像素，得到一组空间三维点云数据；最后，建立空间邻域像素横坐标方向和纵坐标方向一阶差分正则化项的成本函数，采用交替方向乘子法，求解成本函数的最小值，以得到准确的深度估计。本发明成像效果优于传统最大似然估计方法和时间相关光子快速去噪方法，处理后得到的深度图像误差小，信噪比高，提高了三维成像质量。