本发明提供一种岩心夹持器、分子扩散系数测试系统及方法，岩心夹持器包括：具有密封的中空腔的壳体；将中空腔分隔为第一腔体和第二腔体的隔断；与第一腔体连通的第一开孔，与第二腔体连通的第二开孔；连接于第一开孔与隔断之间的第一弹性套，由第一弹性套的外周、壳体的内壁面及隔断的壁面围构而成第一围压液容置区；连接于第二开孔与隔断之间的第二弹性套，由第二弹性套的外周、壳体的内壁面及隔断的壁面围构而成第二围压液容置区；开设于隔断上的实验通道；出入于第一弹性套的第一夹持件和出入于第二弹性套的第二夹持件。本发明能够模拟储层的实际状况并且维持整个系统的温度变化，实时监测压降实验过程扩散腔内压力的变化，降低实验测量误差。