本发明涉及页岩物理性质测试领域，具体提供一种三轴应力下页岩气双向扩散系数的测定装置及方法。其旨在解决现有气体扩散系数测定装置不能真实模拟页岩在地下环境中受应力作用使其内气体进行双向扩散的过程，从而导致实验结果可信度低的问题。该装置中的岩心腔通过管阀系统分别连接真三轴应力加载系统、气体扩散系统和抽真空系统，并利用管阀系统使气体扩散系统沿水平方向和垂直方向向岩心腔扩散气体，再将岩心腔、真三轴应力加载系统、气体扩散系统以及管阀系统均放置在恒温系统内，以此来真实模拟页岩储层岩石受地应力作用下气体进行双向扩散的过程，确保测定页岩气体双向扩散系数实验结果的准确性，降低传统测定页岩气体扩散系数方法的误差。