本发明提供一种多层次贝叶斯数据同化作物产量估测方法及系统，属于产量预测领域，包括：根据待估产区域的作物遥感LAI时间序列数据和待估产区域预设范围内的实测作物产量数据对作物生长模型进行标定，得到作物生长模型的参数后验样本集合；并通过抽样确定作物生长模型的初始预报集合；利用贝叶斯两步推断算法和LAI遥感观测集合确定优化后的不确定参数、优化作物生长模型和优化后的时间序列数据；利用优化后的时间序列数据驱动优化作物生长模型，得到后验预报集合；根据后验预报集合对待估产区域进行作物产量估测。本发明能够提高区域尺度的作物产量估测精度。