本发明公开了一种集成微流控三维肿瘤芯片及仿生方法。芯片包括流动层和控制层。流动层包括设有入口和出口的微腔、化学梯度发生微管道和化学梯度发生微柱阵列。化学梯度发生微管道设置于微腔侧面，并与微腔共用化学梯度发生微柱阵列作为侧壁。控制层设有弹性微结构和末端封闭的微管道。弹性微结构在注入预设压力的流体后膨胀成侧壁上开有一个开口的三维筒状结构并伸入至微腔内。微管道连接弹性微结构，且数量至少为两根，并平行于化学梯度发生微管道设置，每根微管道上至少连通一个弹性微结构。本发明可在单个芯片内连续性完成阵列化肿瘤细胞捕获定位、高通量三维肿瘤仿生制备、浓度梯度式肿瘤刺激作用、特定浓度刺激的肿瘤样本回收操作。