一种基于单目序列图像的空间目标形状与运动自主估计方法，包括如下步骤：建立双目视觉测量的基本方程、空间目标点的三维重建方程、基于序列图像的目标运动状态测量方程；设定相机系到前一帧主轴系的转换矩阵等于单位阵，匹配相邻帧图像，得到目标惯性主轴坐标系在相邻帧成像时刻之间的变换矩阵；利用空间目标点的三维重建方程，获得目标特征点在左相机坐标系的位置向量集合和目标特征点在右相机坐标系的位置向量集合；然后统一前后相邻帧的尺度；重新确定目标特征点在左相机坐标系和右相机坐标系的位置向量集合；计算得到相邻帧之间的姿态四元数、自旋角速度和自旋轴方向；通过对目标选择一周的序列图像匹配与计算，即可获得目标的形状估计。