本发明公开了一种二氧化碳微观驱替多相表征装置及方法，在岩心夹持器筒体外有核磁共振探头，在岩心夹持器筒体中设岩心，在岩心外部环形缠绕的有温度传感器，在岩心夹持器筒体设置左端堵头，岩心夹持器筒体的堵头和岩心之间的设左端垫块，在垫块上设有光纤定位销，在堵头和岩心之间设有右端垫块，在左端垫块和右端垫块之间设置垫片。表征的方法，步骤是：A、将岩心抽真空饱和油、气或者水，放入持器筒体内；B、把饱和的岩心放入岩心夹持器筒体内；C、利用该装置进行驱替过程中的测试；D、确定沿岩心轴向相变过程及流体分布的时空演化规律。解决了二氧化碳利用及封存中的微观孔隙结构、相变过程及流体分布的时空演化不能实时监测表征的问题。