本发明涉及一种确定地质应力场方向的实验装置及其实验方法，该装置包括实验台，设置在实验台上的实验箱、驱动组件、信息采集组件和控制分析器；实验箱由前端挡板、两个侧挡板和后端挡板组成，断裂带走向板放置在实验箱内且一端与前端挡板连接，驱动组件驱动前端挡板移动，信息采集组件用于拍摄试验箱内的实验过程，控制分析器用于控制驱动组件和进行数据分析。实验方法通过建立不同走向基底先存断裂与上覆盖层内新生次级断裂走向之间的夹角与先存基底断裂走向法线与晚期最大主应力轴夹角之间的相关关系，确定该地质时期应力场的方向。本方法经实际资料的验证，证实具有可行性。