本实用新型公开了一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置，包括三维旋转单元、固定在三维旋转单元上的细胞恒向受力单元和连接三维旋转单元的监测控制单元；细胞培养瓶固定在细胞恒向受力单元上，可随三维旋转单元围绕球面旋转，产生各个方向的向心加速度，其相应离心力与重力可形成大小和方向时刻变化的合力，通过细胞恒向受力单元可以使细胞培养瓶始终与合力方向同步变化，监测控制单元可以监测细胞的受力情况并通过调控三维旋转单元转速而改变细胞受力大小，最终使细胞感受到大小可变的等效重力刺激。本实用新型可用于研究时变低重力、时变超重力以及科里奥利力等不同力学环境对细胞功能的影响。