本发明涉及一种基于CO/O2的水泥分解炉燃烧优化方法及系统，包括：获取当前运行工况下的入窑生料分解率，根据入窑生料分解率、第一关联模型和第二关联模型得到目标CO浓度值；根据目标CO浓度值和第三关联模型确定目标O2浓度值；根据目标O2浓度值和第四关联模型得到总风量优化值；根据还原区CO浓度值、总风量优化值和第五关联模型得到三次风配比；根据三次风配比调节风机频率和闸板开度，以使当前CO浓度值与目标CO浓度值一致。本发明基于先进的测量技术，深度挖掘水泥分解炉的历史运行数据，针对实时燃烧状态，通过动态调整三次风风机频率以及三次风闸板开度，在提高入窑生料分解率的同时，减少了氮氧化物排放量及高温结皮现象的发生。