本发明提供了一种烯烃分离系统及烯烃分离方法。该烯烃分离系统包括脱甲烷单元，脱甲烷单元包括初脱甲烷塔、膜分离组件和次脱甲烷塔，初脱甲烷塔的塔顶出口与膜分离组件的进口之间设置有第一气相物流管线；膜分离组件的富烃气流出口与次脱甲烷塔的进口之间设置有富烃气流管线。上述烯烃分离系统通过初脱甲烷塔对待分离的气体进行非清晰切割或清晰切割，得到第一气相物流，该第一气相物流进一步经过膜分离组件分离为富烃气流和富氢气流，增大了进入次脱甲烷塔的富烃气流中的CH4/H2分子比值，进而增加了次脱甲烷塔塔顶处CH4的分压，减少了降温所需的能耗以及烯烃分离的投资和运行成本。