本发明公开了一种地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，包括：储气库模块、巷道模块和浓度监测处理模块；其中，储气库模块用于储藏氢气和提供待测样本；巷道模块与储气库模块连接，用于为不同水平区域的垫层气浓度监测提供检测环境；浓度监测处理模块与所述储气库模块连接且安装于所述巷道模块内部，浓度监测处理模块用于实时监测不同水平区域的垫层气浓度和进行监测数据处理。本发明可以实现内衬式岩洞氢气储气库的垫层气浓度及时、准确的监测，保障采出的氢气纯度。