本发明涉及一种三维时间域照明分析及振幅补偿方法，该方法包括记录地震信号、读取地震信号并通过常规三维叠前时间偏移方法将地震信号形成叠前偏移距道集、建立叠加剖面、确定成像空间内反射面法向量、照明分析、补偿叠加剖面振幅、显示地质构造。该方法通过对实际观测系统进行三维时间域照明分析，参照照明次数对常规叠加剖面进行振幅补偿，从而改善了叠加剖面的信噪比和分辨率，改善成像效果，并更好地实现直接识别含油、气或水的地下地质构造，因此本发明能够应用于反射地震资料的三维叠前时间偏移后续处理，对油气、矿产资源勘探有重要应用价值。