一种基于双目立体视觉的列车运行故障自动检测系统及方法，包括：基于双目立体视觉传感器，同时采集列车不同部位的左右摄像机图像；基于多层卷积神经网络的深度学习理论或传统机器学习方法，结合同一部位的左右图像一致(无)故障的约束，实现多类易故障目标区域同步精确定位；对定位区域进行初步故障分类识别；结合目标区域零部件个数的先验信息，实现非故障区域内多零部件同步精确定位；采用双目立体视觉匹配技术，对单一零部件的左右图像进行特征点匹配，实现三维重构，计算其关键尺寸，定量描述是否出现松动或者窜出等细微故障和渐变性隐藏故障。本发明对同步高精度地检测列车各大部件的变形、移位、脱落等故障形式，或微小的、渐变性隐藏故障进行三维定量描述，更全面、更及时、更准确。