本发明提出一种缪子透射成像探测装置以及上覆岩层探测方法。本发明的缪子透射成像探测装置包括：缪子探测部，缪子探测部用于接受缪子轰击，缪子探测部的第一探测部的外表面朝向上侧，缪子探测部的第二探测部的外表面朝向下侧，缪子探测部的第三探测部的外表面朝向周侧，第一探测部、第三探测部和第二探测部从上至下依次设置，缪子探测部的第三探测部在上下方向上的尺寸大于等于第一预设值；信号采集与数据存储部，信号采集与数据存储部与缪子探测部电连接。因此，根据本发明的缪子透射成像探测装置具有便于监测缪子轰击次数和入射角度对上覆岩层进行构造探测的优点。