本发明提供了一种三段式催化剂装填法脱除CO原料气中H2杂质的方法。本发明根据整个催化剂床层中反应物和产物浓度的变化趋势以及反应热效应的差异，设计选用了三种具有特定化学结构和性能的催化剂，将三种催化剂按特定的顺序和比例装填在反应床层的不同浓度区间，利用它们各自的化学性质，对反应热效应以及副反应的速率进行协同控制。本发明提供的三段式催化剂装填法脱除CO原料气中H2杂质的工艺方法，在不增加催化剂制备成本和工艺设备成本的基础上，使催化剂的反应温度由现有技术的145-150℃降低至125-130℃，可大幅度降低能源消耗，同时降低了催化剂的热烧结风险，且有助于延长工业用催化剂的使用寿命和更换周期，具备大规模工业化应用的前景。