本发明涉及一种车路协同环境下城市多交叉口多层分布控制系统及其方法，该系统包括布设在各交叉口的信号控制单元、路测单元和多源交通状态感知设备，各交叉口分别设置有对应的路网拓扑结构，路网拓扑结构包括与本交叉口所有直接相邻的交叉口，各交叉口路网拓扑结构之间为分布式通讯；其中，路测单元融合处理由多源交通状态感知设备实时采集的本交叉口及相邻交叉口状态信息，并结合相邻交叉口的信号配时信息，以得到本交叉口的优化信号配时方案；信号控制单元控制本交叉口的信号机执行从本交叉口路测单元获取的优化信号配时方案。与现有技术相比，本发明能够提高多交叉口信号控制问题的求解效率及准确性，实现城市多交叉口的最优协同控制。