本发明公开了一种三轴运动取样机构，包括机架，多轴向运动单元，多轴向运动单元设置在机架内，由X轴运动机构、Y轴运动机构和Z轴运动机构构成；悬臂支撑机构，悬臂支撑机构设置在机架上；取样部，取样部设置在Z轴运动机构上，用于对下部样本进行取样；其中，Y轴运动机构为悬臂式，悬臂支撑机构设置在Y轴运动机构的悬臂端，用于对Y轴运动机构进行支撑。本发明优点在于保证悬臂端的偏摆量大幅降低，从而使取样部能够快速稳定的进行取样工作；在取样过程中，在取样部上升时力的作用下下端支撑轴承会与支撑条下表面接触，同时反作用于下方取样部，保证取样时Z方向上下不因悬臂而变形，保证取样过程快速稳定进行。