本发明公开了一种二硫化钼/二硫化钨多层掺钽薄膜及其制备方法与应用。所述二硫化钼/二硫化钨多层掺钽薄膜包括在其厚度方向上依次层叠的钛过渡层、钛/钽/二硫化钼/二硫化钨多层梯度过渡层和二硫化钼/二硫化钨多层钽掺杂层。所述制备方法包括：采用磁控溅射技术，在基体表面依次沉积钛过渡层、钛/钽/二硫化钼/二硫化钨多层梯度过渡层和二硫化钼/二硫化钨多层钽掺杂层，获得二硫化钼/二硫化钨多层掺钽薄膜。本发明的二硫化钼/二硫化钨多层掺钽薄膜具有良好的基底结合强度、硬度及弹性模量，在大气环境不同温度下均具有良好的摩擦磨损性能、良好温度自适应性能、耐湿热、耐高温氧化性能，能满足航空航天飞行器润滑稳定及长寿命服役要求。