本发明涉及一种轨道3D几何形态高频监测系统及方法，该监测系统包括固定顶紧装置、线性位移传感器、数据采集器和运算中心，固定顶紧装置将线性位移传感器顶紧在监测段轨道的腰部上缘；线性位移传感器沿监测段轨道的全长度布置；数据采集器与线性位移传感器通过电缆连接，采集线性位移传感器输出的信号；运算中心与数据采集器通过无线通信或有线通信连接，接收数据采集器采集的信号，最终计算监测段轨道的3D几何形态。本发明可实现对监测段轨道全长度的测量和分析，计算获得监测段轨道的纵向高差、纵向变形曲率半径、纵向变形相对曲率、轨间距变形、轨道横向高差等数据，及时发现并处理轨道的异常情况，保证行车安全和效率。