本发明涉及海上溢油检测技术领域，其公开了一种基于水下自主航行器的海上溢油厚度检测方法和系统，系统包括设于水下航行器内的控制单元，所述控制单元分别与超声信号收发单元、超声信号处理与存储单元、定位导航单元、路径规划单元、自主避障单元和水声通信单元电连接；自主避障单元进行主动探测；水声通信单元将轨迹上方海面溢油厚度测量结果发送至指挥中心；并接收指令信息；路径规划单元规划最优运动路径；导航定位单元用以水下位置定位；控制单元用以运动控制和定深运动控制；超声信号收发单元进行超声信号发射和接收。本发明通过水下自主航行器，对大范围，多个分散区域的溢油层厚度进行实时连续测量，高效规划检测路线，提高检测效率。