本发明公开了一种欠采样非光栅扫描原子力显微镜高速成像系统及方法，是在传统原子力显微镜中设置了逐点采样测量模块、欠采样测量模块、采样点分布模块、贝叶斯压缩感知重建计算模块、基函数计算模块、随机函数发生器、随机数发生器和行列计数器。本发明方法通过构建测量矩阵在待测区域中划分采样点分布，进而利用采样点分布指导三维扫描器，实现力传感器获取待测区域欠采样信息，以欠采样信息和测量矩阵为依据，实现形貌信息重建，最后对比标准形貌信息，实现高速成像。