本发明提供一种全轴磁力梯度仪、磁力作业系统及作业方法。梯度仪包括：总场磁力传感单元：包括呈横向间隔设置的第一磁力仪和第二磁力仪，及，呈纵向间隔设置的第三磁力仪和第四磁力仪；其中，呈第一磁力仪及第二磁力仪用于采集水平横向总场梯度，第三磁力仪及第四磁力仪用于采集垂直方向总场梯度，第一磁力仪、第二磁力仪及第四磁力仪用于采集水平纵向总场梯度；数据处理系统：与总场磁力传感单元通信，用以采集总场磁力传感单元检测的磁力数据。采用一个或多个所述全轴磁力梯度仪可构建磁力作业系统。磁力作业方法，同步采集多个总场磁力传感单元数据，并可计算获得磁场梯度张量数据。