本发明公开了一种地下水分层采样设备及采样方法，该采样设备包括：井体，井体相对应含水层的位置处为第一筛管，井体外对应含水层填充石英砂，对应隔水层填充膨润土；可调节长度的分层套管，分层套管置于井体内，分层套管的底部连接有第二筛管，第二筛管的顶部和底部安装有隔水垫，上下隔水垫紧贴井体内壁；采样管，采样管可自顶部深入第二筛管内进行采样；使用时，将分层套管放入井体中并使第二筛管降至指定深度，通过上下隔水垫形成新的指定深度的采样区；将采样管进入该采样区，对待采集含水层进行采样。本发明通过控制分层套管底部第二筛管的位置以及配套的隔水垫，实现对一眼钻孔内不同深度目标含水层的采样。