本发明涉及基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统,包括光学显微镜、精密运动平台、微纳米透镜阵列和两个纳米微球。所述精密运动平台位于所述光学显微镜的粗调平台上，所述精密运动平台上设有样品台，样品置于所述样品台上方；所述微纳米透镜阵列倒置于所述样品和所述光学显微镜的物镜之间；所述两个纳米微球分别位于所述样品上表面和所述微纳米透镜阵列下表面。方法包括：纳米微球的光学图像用于实时测量样品与透镜阵列的相对位置并实时反馈；光学显微镜获取到微纳米透镜阵列成像后发送至计算机处理及显示。本发明能实现超分辨率光学成像，并解决透镜阵列与样品的相对位置测量问题，同时能实现大范围扫描成像，显著提高成像效率。