本发明公开了一种单能谱CT图像的多材料分解方法，包括：(1)获取单能谱CT图像；(2)针对CT图像，根据CT图像域多材料分解理论，构建包括数据保真项和三项惩罚项的分解目标函数，数据保真项保证测量值和真实值的误差尽可能小，三项惩罚项中，第一项使用全变分项保证CT材料图像的分段常数特性，第二项使用0范数项保证CT图像中材料的稀疏性，第三项使用特征函数项保证多材料分解结果满足体积分数在0到1之间且所有材料体积分数加和为1的约束；(3)采用基于双材料假设的矩阵求逆方法求取目标函数的初始值并采用交替方向乘子法对目标函数进行求解，实现了在单能普通CT下多种材料的精确分解，分解精度和双能CT相当。