本发明涉及一种聚酰亚胺微孔薄膜及其制备方法和在油水分离中的应用。所述制备方法包括如下步骤：(1)提供聚酰胺酸溶液；(2)向所述聚酰胺酸溶液中加入疏水改性剂；(3)将步骤(2)所得混合溶液成型为膜材料，采用凝固浴对所得膜材料进行凝固，得到聚酰氨酸微孔薄膜；(4)采用低表面张力溶剂对聚酰氨酸微孔薄膜进行溶剂替换；(5)将步骤(4)处理后的聚酰胺酸微孔薄膜进行亚胺化，得到聚酰亚胺微孔薄膜。本发明的聚酰亚胺微孔薄膜具有良好的力学柔韧性和结构可设计性，对不同种类的油水混合物表现出高效的分离效率，具有低成本、高通量、高精准性和高适用性的优势，而且其制备工艺简单，易实现，原料来源丰富，成本低。