本发明提供了一种多层聚合物薄膜及其制备方法，其包括至少一层极性工程塑料层，至少一层非极性聚烯烃层，以及介于邻接的极性工程塑料层和非极性聚烯烃层之间的相容改性层，所述相容改性层包含极性工程塑料以及共聚改性的聚烯烃。本发明采用非极性聚烯烃聚合物与常用极性工程塑料为基础材料，通过添加相容改性层的方法解决了极性工程塑料与非极性聚烯烃聚合物的相容性差的问题，提高了多层聚合物薄膜的层间相容性。本发明制备的多层聚合物薄膜不仅与传统聚烯烃薄膜相比具有更高的力学强度和耐候性，而且与极性工程塑料薄膜相比，还具有更好的耐腐蚀性和耐水性。