本发明公开了一种二氧化铀芯块平均晶粒尺寸非破坏性检测方法，包括如下步骤：步骤1：超声清洗芯块并烘干；步骤2：放置芯块；步骤3：采集芯块端面宏观形貌图像；步骤4：切换到高倍，一次采集每个视场形貌图像；步骤5：依次测量并处理每幅图像；步骤6：排除异常数据；步骤7：计算区域平均晶粒尺寸和总平均晶粒尺寸。其有益效果在于：本发明可在压水堆核燃料元件二氧化铀芯块产品上直接进行晶粒尺寸的测量，不损坏污染试样，不产生二次污染，节约了核材料。检测周期由定量金相法的一个工作日缩短为约20分钟，测量区域和测量结果与定量金相法一致，可直接进行比较。