本发明提供一种超声速燃烧瞬时火焰结构高时空分辨可视化系统，包括激光单元、超声速燃烧室和数据采集单元；激光单元，用于产生激光并将激光整形为激光光片后传导到超声速燃烧室内；超声速燃烧室，设有激光入射窗口和数据采集窗口，激光光片经激光入射窗口入射到超声速燃烧室内，对燃烧过程中生成的碳氢组分进行光解，产生CH光解荧光，再通过ICCD相机对光解荧光进行高时空分辨成像，实现对超声速燃烧瞬时火焰结构的高时空分辨可视化。本发明无需使用复杂的染料激光器，不用进行波长调谐，激光器结构简单便携、方便维护和使用。