本发明公开一种回转式低温氢同位素分离系统及分离方法，解决现有技术中建造复杂、参数控制复杂、运行成本高，或需氦气供给、氢氦分离及分离柱再生处理复杂，或钯置换色谱填料昂贵且易于失效等问题。分离系统包括低温槽，回转架，分离柱，原料氢储罐，轻同位素储罐，重同位素储罐，真空泵和尾气储罐。分离方法为将吸附有原料氢的分离柱逐个脱离液氮液面解吸出氢同位素以完成其余分离柱内氢同位素的重排；最后从回路远、近端分别收集轻、重同位素。本发明创造性地利用模拟移动床技术原理，氢同位素可以在闭环分离回路内连续循环流动，重同位素浓度从分离回路中发生解吸的近端到远端逐渐降低，且重同位素的浓度梯度随吸附/解吸次数增加不断增大。