本发明提供了一种跨临界压缩二氧化碳储能系统及其运行方法，涉及能量储存技术领域，沿二氧化碳流动方向包括依次连接的高压储气罐、膨胀机组和低压储气罐，所述低压储气罐内设有吸附剂填充区，所述吸附剂填充区设有吸附剂；所述膨胀机组包括再热器和膨胀机，所述高压储气罐的出气口连接所述再热器的低温侧入口，所述再热器的低温侧出口连接所述膨胀机的进气口，所述膨胀机的出气口连接所述低压储气罐的进气口，且所述再热器的高温侧入口和高温侧出口均分别通过管道连通所述吸附剂填充区。本发明以高品位吸附热作为热源，通过再热器换热并即时供应为膨胀前再热，使二氧化碳膨胀做功能力更强，可有效提升膨胀机发电效率，提高净电输出能力。