本发明提供一种基于三维分解的微波毫米波全息图像重建方法，依次包括：对所述后向散射回波信号进行二维维度上的图像聚焦处理，所述二维维度是与所述微波毫米波天线阵元的排列方向相垂直的二维维度；将经过所述图像聚焦处理的所述后向散射回波信号进行第二次图像聚焦，所述第二次图像聚焦是在所述微波毫米波天线阵元的排列方向的维度上进行。本发明的图像重建方法将三维回波信号进行三维分解，分解为一个二维维度及一个一维维度分别进行图像重建，简化了计算复杂度，同时本发明对于微波毫米波成像系统的机械扫描方式不受限，是一种通用的图像重建方法，适用于高速并行处理，能提供清晰的三维重建图像。