本发明公开了一种基于时间展宽的超快全息显微成像方法及其系统，该系统包括：超短脉冲序列产生模块，用于产生照明用的多波长啁啾脉冲序列；全息成像光谱仪，用于根据多波长啁啾脉冲序列产生空间离散的多波长离轴全息图序列；全息图重建模块，用于对多波长离轴全息图序列进行重建以获得样品的定量的光学厚度序列。本发明针对全息成像光谱仪产生的多波长全息图序列进行重建获取相位序列，再以多波长啁啾脉冲序列各子脉冲波长为标准，获得定量的样品光学厚度序列，能够在单次曝光的情况下实现超短时间分辨率，超快成像速度的三维空间成像，解决了现有方法仅能获取探测目标的二维空间信息的问题，大幅提升了成像效果。