本发明提供了一种多轴机床热误差的可视化测量系统及方法，包括热误差测试工件和对热误差测试工件进行加工的多轴机床；热误差测试工件设置在多轴机床上；热误差测试工件包括多个线性轴测试面、多个旋转轴测试面、设置在线性轴测试面上的参考槽和设置在旋转轴测试面上的参考槽；线性轴测试面的法向和对应的线性轴方向同向，旋转轴测试面的轴线方向和对应的旋转轴轴向同向。本发明提出的测量方法及系统可以用于所有构型的五轴机床，且能够得出五轴机床所有运动轴的热误差数据；通过对热误差测试工件表面加工槽，并根据加工槽的痕迹直接目视得到热误差，可视化效果高。