本发明属于非均质含水层岩性结构反演识别技术领域，提供了一种基于潜在扩散模型的非均质含水层岩相结构识别方法，包括：设定含水层结构参数的先验分布；利用数值模拟软件获得水头及浓度分布场样本数据；生成岩性结构训练样本所对应的低维潜在随机变量样本；利用低维潜在随机变量和水头、浓度分布场数据训练图片约束下的去噪扩散概率模型；随机生成一个潜在随机变量；预测所对应的去噪后潜在随机变量；预测得到场地含水层岩性结构。本发明能够利用含水层结构参数的先验分布和水头及浓度观测数据直接实现对含水层岩性结构的反演识别，且能够依据同一水头及浓度观测数据来预测多个可能的含水层岩性结构，实现含水层岩性结构的不确定性分析。