本发明公开一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，包括烟气进气部分、稀释空气部分、稀释混合部分、旁路部分与采样部分。烟气进气部分对烟气进行颗粒切割后通过稀释混合段连通；稀释空气部分将空气过滤后通入稀释混合段；通过稀释混合段内设计的气流分布板，使稀释气体和烟气快速湍流混合；一部分通过旁路部分排出，另一部分作为采样气体进入与稀释混合段形成一体结构的停留室；最终，通过采样部分应用滤膜离线采样方式对采样气体进行采样。本发明的优点为：不仅能够模拟烟气从排放口出来后与大气的混合过程，采用大气环境颗粒物的采样方法采集PM2.5样品，而且采样装置结构紧凑，小型化，操作简便，测量结果可靠，适合于现场大范围推广应用。