本发明公开了一种差动式空气钻井取芯装置及方法，差动机构、定位短节、外筒组件、取芯钻头通过螺纹上下连在一起形成外筒组合，悬挂总成、内筒组件和割芯机构通过螺纹上下连在一起形成内筒组合，悬挂总成通过悬挂元件与定位短节连在一起，整个内筒组合悬挂在外筒组合内，割芯机构处在取芯钻头内腔位置，整套取芯装置与钻具通过螺纹连在一起。取芯作业时，利用钻井设备带动取芯装置转动进行取芯钻进作业，取芯钻进结束，通过地面投球，利用取芯装置的差动装置，剪断悬挂元件，内筒组合下行，使割芯机构工作，保护岩芯在起钻过程中不掉出。本发明可应用于空气钻井的取芯领域。