本发明涉及基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法，激光器输出的线偏振激光经过偏振方向旋转器，控制激光的偏振方向；原子气室置于方向可控的射频磁场内线偏振激光穿过原子气室后，透射光被光电探测器探测；光电探测器获取的不同频率信号大小取决于外界磁场与激光偏振方向的夹角；通过解算磁共振时透射光信号的直流分量、一倍频分量、二倍频分量信号获得磁场的大小和方向。本发明的有益效果是可对地磁场的大小和方向进行高精度测量，磁场测量精度能够达到nT量级，测量灵敏度能够达到pT量级，并且无工作盲区。