本发明公开了一种温度作用下混凝土碳化试验箱及其试验方法，温度作用下混凝土碳化试验箱包括箱体、导热仓体、二氧化碳供应系统和温度调控系统，所述温度调控系统包括控制模块、用于给导热仓体升温的升温装置、用于给导热仓体降温的降温装置和安装在混凝土试件上的温度传感器。本发明中，控制模块将温度传感器检测到的混凝土试件温度与预设温度比对后，可通过升温装置和降温装置可分别对导热仓体进行升温和降温，以快速精准调控导热仓体内的混凝土试件温度至预设温度，从而高效测试混凝土在不同温度作用下的碳化情况；该试验方法能够更加直观地观测混凝土试件内部的碳化情况，且对混凝土试件影响较小，可有效提高混凝土碳化试验精度。