本发明公开了一种基于三维分层图模型的多运动目标跟踪方法，所述方法包括：S1、分析检测目标的外观特征、运动特征及特征间的三维空间结构特性，建立由每个目标区域的目标三维分层图模型；S2、在当前帧的检测区域建立检测目标的检测三维分层图模型；S3、在当前帧的预测区域建立跟踪目标的预测三维分层图模型；S4、计算检测三维分层图模型中的检测目标和预测三维分层图模型中的预测目标之间节点、边以及空间结构的匹配度；S5、根据匹配度的计算结果，在检测区域和预测区域之间的对目标进行跟踪匹配。本发明能有效地实现多目标实时跟踪，不仅能应用于大多数Kinect监控场景，还可推广应用于机器人目标识别避障、智能交通等领域，具有较好的应用前景。