本发明涉及一种高效分离氦气和二氧化碳气体混合物的装置及分离方法。该装置包括第一换热器（1）、压缩机（2）、第二换热器（3）、冷凝蒸发器（4）、活性炭吸附器（5）、液氮储罐（6）；含有二氧化碳和氦气的混合气体经过第一换热器预冷和压缩机的压缩后，引入第二换热器再冷却，流入冷凝蒸发器，二氧化碳在冷凝蒸发器的冷凝侧被冷却为液体从底部排出，氦气则以气态形式从上部引出，氦气经由活性炭吸附器吸附杂质后得到高纯度的氦气。本装置针对氦气和二氧化碳的混合气体，直接利用液氮储罐供应液氮到冷凝蒸发器分离氦气和二氧化碳，系统简单，维护性高，冷量逐级回收。