本发明涉及气体处理技术领域，具体涉及一种氦气分离提纯系统，包括混合气体装置、一级预处理单元、一级膜分离器、二级膜分离器、二级预处理单元和四级膜分离器；混合气体装置的进气口与原料气源连通，混合气体装置的出气口与一级预处理单元的进气口连通，一级预处理单元的出气口与一级膜分离器的进气口连通；一级膜分离器渗透气出口连接有第一压缩装置入口，第一压缩装置出口连接二级膜分离器入口，一级膜分离器非渗透气出口接入管网，用于向外输送天然气；二级膜分离器渗透气出口连接第二压缩装置入口，第二压缩装置出口连接变压吸附单元；本发明通过设置一级膜分离器、二级膜分离器和四级膜分离器对混合气体进行分离，获得高纯氦气。