本发明公开了一种基于CPT效应的磁场矢量测量方法，首先搭建光路并将光路置于磁场中，光路产生两束偏振方向相互平行的线偏振光，记录不同频率下的线偏振光穿过碱金属原子气室后的透射光信号光谱信息，得到透射光相邻峰之间的频率间距，测量待测磁场大小值；再改变线偏振光偏振方向，确定第一个磁场光失平面；将光路在水平面内旋转90度，改变线偏振光偏振方向，得到第二个磁场光失平面；根据两次得到的磁场光失平面，解算待测磁场的方向与磁场矢量值。本发明可以快速准确得到待测磁场的方向与磁场矢量值，不需要通过外加线圈提供辅助磁场，不引入线圈的影响和干扰。