一种超声波测量轧制金属材料表面应力张量的方法，其步骤如下：S1、标定取向角x与零应力声时t0的关系曲线；S2、标定拉伸试样平行于轧制方向的名义声弹性系数K||和垂直于轧制方向的名义声弹性系数K⊥；S3、在待测工件表面上每隔Δβ取向角放置超声探头，得到组待测工件取向角j·Δβ所对应的临界折射波传播时间t(j·Δβ)，S4、记待测工件的表面应力张量的两互相垂直主应力分别为σ1、σ2，σ1与轧制方向所成角度为θ，根据关系式，得到个非线性三元方程组S5、求解步骤S4的非线性三元方程组，得到个元素的解集计算所述个元素的解集中心点，得到待测工件表面的应力张量[σ1σ2θ]。该方法能简便快捷、低成本，高精度地测量轧制金属工件浅表面应力张量。