本发明公开了一种地震波矢量波场分离方法，主要步骤包括：(1)扫描同相轴倾斜角，计算传播方向与X轴的夹角e；(2)根据多分量数据计算地震数据每个样点的偏振极化率η；(3)根据极化率η的大小，选择不同的处理流程：当η>η0时，利用时窗内多分量数据的振幅关系，计算地震数据每个点的偏振方向，然后根据传播方向与偏振方向之间的关系对波场进行分离；当η≤η0时，采取仿射坐标系下的矢量分解的处理方案，并根据传播方向进行优化；(4)将不同处理流程的波场分离结果按波场类型合并，输出分离结果。本发明的波场分离方法克服了地层倾斜引起的错误的分离结果的问题，以及实际应用中非线性偏振问题。