本发明提供了一种面外平动、转动双自由度的微振动精密测量装置及方法。该装置包括激光器、第一半波片、第一偏振分束器、第二半波片、模式清洁器、第二偏振分束器、法拉第旋光器、第三半波片、Sagnac干涉仪、不等臂马赫‑曾德尔干涉仪、微振动产生单元、光束调节单元、光接收探测单元以及数据处理单元。微振动产生单元产生的转动会破坏Sagnac干涉仪的对称性，平动不会破坏Sagnac干涉仪的对称性，因此可分离平动与转动信息。平动信息会随着激光基模反射进入不等臂‑马赫曾德尔干涉仪中，从而实现同时性测量平面外的平动与转动。本发明在测量过程中，几乎获得了转动和平动的所有信息，光强损耗在10％以内。