本发明公开了一种高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置，包括渗流试验模型系统、PIV测试系统和孔压传感器量测系统，与现有技术相比，本发明公开的试验装置可通过渗流试验模型系统真实再现土体自然状态下的降雨入渗过程，通过电子天平、CCD高速相机和微型孔压传感器可分别快速连续量测土体的进出流体量和土体孔压变化情况，同时依据不同饱和度的土体具有不同的颜色灰度，来实现渗流场湿化前沿轨迹的跟踪，通过CCD高速相机连续、多侧面的拍照来实现高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测。本发明模型试验装置操作方便，涉及的仪器构造简单，可调性强，易于掌握，对于解决涉及非饱和土渗流的岩土工程问题具有重要意义。