本发明公开了一种基于大尺度三维空间的六自由度定位系统及定位方法，其中，该系统包括：三维空间全局定位基准和被测模块；三维空间全局定位基准用于通过多个激光面的交点确定目标定位点；被测模块安装在被测设备上，在三维空间全局定位基准确定的三维空间内移动，用于测量被测模块与目标定位点之间的六自由度的位姿差异，以根据位姿差异对被测设备进行位置和姿态补偿，在三维空间内对被测设备进行定位。该系统可对移动式机器人和机械臂等在大尺度三维空间内非接触测量的情况下实现六自由度精确定位，系统结构简单、用途广泛。