本发明公开了一种基于机械差分法的非热稳态力学测试装置及其应用方法，该装置包括温控箱、力传感器、下压头机构、上压头机构、横梁和位移测试机构；力传感器、下压头机构、上压头机构和位移测试机构沿竖直方向同轴依次设置，力传感器与下压头机构的底部抵接；位移测试机构沿竖直方向依次贯穿横梁、上压头机构后延伸至与下压头机构抵接。本发明通过在上压头机构和横梁中引入位移测试机构，由位移测试机构配合横梁精确调控上压头与下压头之间的间距，由温控箱调控温度变化，使温度数据、受力数据以及位移数据其中任意一项数据保持恒定，获取另两项数据之间的关系，实现材料在恒位移、恒力、恒温三种情况下响应行为的精确测试。