本发明涉及一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统及方法，包括高、低周载荷加载子系统、温度载荷加载子系统、冷却子系统及载荷协调控制子系统；高、低周载荷加载子系统对被专用夹具稳定夹持的涡轮叶片独立地施加高、低周载荷；温度载荷加载子系统对涡轮叶片考核截面进行加热；冷却子系统包括水冷部分和气冷部分，水冷部分用于试验过程中冷却，气冷部分用于协助实现试验中的温度循环及叶片内部冷却情况的模拟；载荷协调控制子系统用于控制各个系统协调工作。本发明能够模拟涡轮叶片考核截面服役过程中应力场、温度场、振动情况以及叶片内部冷却情况，进行涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验，为航空发动机安全可靠的工作提供保障。