本发明公开了一种兼顾二氧化碳回收的船用海水淡化系统及工作方法，包括烟气处理单元、能量转换单元和海水淡化单元。在烟气处理单元中，内燃机产生的高温烟气首先进行氧化催化还原，还原后产生的高温二氧化碳、氮气和水蒸气混合物经过余热回收降温后进入吸附装置干燥，再通过换热器与LNG冷能换热后进入压气机，其中一部分高压液态二氧化碳直接收集，另一部分带有压力的二氧化碳进入能量回收装置与原海水进行压力转换重新变为气态后再次进入压气机形成循环，转换后的高压海水经反渗透膜形成淡水。本发明通过利用二氧化碳的临界压力与原海水进行压力转换，使原海水无需高压泵能达到反渗透膜工作所需的压力，实现了内燃机的零碳排放和海水淡化功能。