本发明涉及一种氢基竖炉直接还原系统及其还原方法，属于竖炉还原技术领域，解决了利用现有竖炉还原氧化球团存在还原不均匀、冷却气循环系统复杂、成本高且能耗大的技术问题。该氢基竖炉直接还原系统包括竖炉本体和富氢还原气加热器；富氢还原气加热器用于将富氢还原气加热至950～1000℃；竖炉本体包括氧化球团还原单元和金属球团炉内冷却单元；氧化球团还原单元包括竖炉还原段、还原混气段和中空的竖炉中心锥；金属球团炉内冷却单元包括冷却室，冷却室设于还原混气段下方。本发明采用与富氢还原气成分相同的富氢冷却气对金属球团进行冷却，换热后高温富氢冷却气体与高温富氢还原气在炉内混合并用于氧化球团还原，工艺简洁且节能效果明显。