本发明公开一种超长自由演化时间冷原子频标装置及方法，涉及冷原子频标技术领域，以解决现有方式冷原子自由演化时间有限，限制冷原子频标稳定度指标差的问题。其中装置包括：冷原子制备装置制备具有竖直向上速度的高能态冷原子；冷原子跃迁组件将所述高能态冷原子跃迁为低能态冷原子，为所述低能态冷原子提供微波脉冲；光栅组件对所述低能态冷原子进行囚禁，限制所述低能态冷原子的空间位移和扩散，直至所述低能态冷原子上升速度变为零；冷原子跃迁组件对自由下落进入的冷原子进行二次微波脉冲；信号收集器对制备的高能态冷原子的能态分布进行采集；对自由下落穿过所述冷原子跃迁组件的冷原子包含的微波频率信号进行采集。