本发明提供了一种废热能源隧道实验系统及实验方法，包括地层模拟系统、废热产生系统、废热汲取系统、热循环系统和测试系统，其中地层模拟系统包括箱体，箱体内用于填筑原型地层的相似材料；废热产生系统包括隧道和废热热源，隧道设置在箱体中，废热热源为热力管道，热力管道设置在隧道中；废热汲取系统包括热交换管以及设置于热交换管内的低温水，热交换管设置在隧道的内壁上；热循环系统包括冷水机、分水器、集水器、进水管和出水管；测试系统包括数据采集仪、计算机、地层测试元件以及隧道测试元件。本发明能够克服现有模型实验改变方案不灵活的缺点，能够与数值模拟相结合对废热能源隧道进行综合分析和研究。