本发明涉及一种镁合金石墨烯变质剂及其制备方法和应用。所述方法为：将镁在坩埚中加热熔化，得到镁熔体；在坩埚的顶部引入空气或由氧气与稀有气体混合而成的混合气体，混合气体中氧气的体积含量为10～25％；将CO持续通入至镁熔体中进行镁热反应，直至镁熔体中生成的石墨烯的质量百分含量为0.1～10％，得到复合熔体；在CO与镁熔体发生镁热反应的同时，使坩埚的顶部的温度为300℃以上，并在坩埚的顶部引燃逸出的未参与反应的CO；将复合熔体静置，然后使其凝固，得到镁合金石墨烯变质剂。本发明有效控制了反应产物中氧化镁的含量，既能够对基体镁实现晶粒细化，也能够改变共晶组织的形貌，能够使得铸件获得理想的力学性能。