本发明公开了一种冷却超高热流密度热源的系统，包括热沉基底以及冷却模块，所述冷却模块包括：冷却室，内部安装有所述热沉基底；雾化喷嘴，安装在所述冷却室内，喷头朝向所述热沉基底的待冷却表面；储液罐，装有冷却液；水泵，将储液罐内的冷却液输送至雾化喷嘴；真空泵，连接所述冷却室；压力传感器，监测所述冷却室内的压力；温度传感器，监测所述热沉基底的温度；控制单元，控制所述真空泵调节所述冷却室内的压力以及抽出所述真空泵内的冷却液至储液罐，控制所述雾化喷嘴工作；本发明还公开了一种冷却超高热流密度热源的方法；本发明的系统和方法针对超高热流密度热源能够实现400～600W/cm2的散热能力，且结构紧凑、质量小。