本发明的一种基于机器学习确定光刻系统焦面位置的方法，包括以下步骤：S1：选取焦面位置测量标记，于标定的光刻系统中，在已知的不同焦面位置曝光，记录位置，利用光刻空间像传感器采集并记录光刻空间像的二维分布；S2：将有光刻空间像有效结果分为训练集和测试集；S3：利用机器学习算法和训练集，建立焦面位置检测模型；S4：用测试集中的结果测试检测模型，测试通过进入下一步，测试失败返回S2；S5：测量待测光刻系统焦面位置变化，向控制系统反馈。该方法消除了测量标记制造误差以及三维衍射效应对检测方法内部数学模型的不利影响，同时测量信号从图形位置偏移这种一维信息升级为图形分布的二维信息，提升了焦面位置测量技术精度和应用范围。