一种水面薄油膜回收分离装置，包括船体，船体设有使油水进入和通行的主流道，船艉设有推进装置；主流道的成下坡状倾斜的前段上设有调节围堰；船体上设有相邻的两个分离舱，一次分离舱前端通过主流道入口与外部油水连通，舱后端排出口与主流道连通；二次分离舱的底部及内部分别设有导流板，两块导流板用于在舱后部形成用于二次油水分离的惰性舱，一次分离舱排出口后端设有转动闸板及导流板，转动闸板可隔断或打开主流道，并与二次分离舱上及一次分离舱排出口后端的导流板一同形成主流道隔断时油水的过渡流道；两个分离舱均通过抽吸管路与回收舱连接，分离舱上均设有油位传感器。本发明能够对水面大面积或局部区域性的薄油膜进行有效回收和分离。