本发明公开了一种气体变压吸附分离提纯系统及其分离提纯方法，分离提纯系统包括吸附塔、第一程控阀10X、原料气输送管线、第二程控阀20X、逆放冲洗管线、第三程控阀30X、吸附塔入口端第二/第三均压管线、第四程控阀40X、吸附塔出口端第二/第三均压管线、第五程控阀50X、第一均压及最终升压管线、第六程控阀60X、产品气外输管线、再生管线、第一管线和最终升压调节阀。分离提纯方法为吸附塔重复经过吸附步骤、包含复合均压降压步骤的降压步骤、再生步骤、包含复合均压升压步骤的升压步骤和最终升压步骤进行气体变压吸附分离提纯。本发明可有效提升吸附剂动态吸附容量，提升系统回收率及分离提纯效率。