本发明实施例提供了一种基于双环锁相的毫米波光电振荡系统及其稳频方法，其中系统包括：激光器，参考晶振，第二鉴相器，PID控制器，第二光电振荡器，谐波混频器，第一鉴相器，以及第一光电振荡器。本发明实施例提供的基于双环锁相的毫米波光电振荡系统及其稳频方法，所输出的目标毫米波频段信号具有高长期频率稳定度及低相位噪声特点，能够满足毫米波电子系统对频率源更高的要求。