本发明公开了一种微凝胶结构的油下超亲水多层膜及其制备方法与应用，所述制备方法包括以下步骤：对基材进行预处理，获得表面带负电的预处理基材；配置自组装溶液A和自组装溶液B，所述自组装溶液A为聚乙烯亚胺溶液，所述自组装溶液B包括纳米纤维素、单宁酸、三羟甲基氨基甲烷盐酸盐；将所述预处理基材多次循环浸渍在所述自组装溶液A和自组装溶液B中，采用层层自组装的方法对所述预处理基材行改性；将改性后的基材取出、洗涤、烘干，得到所述微凝胶结构的油下超亲水多层膜。本发明能够获得具有微凝胶结构的水下超疏油性和油下超亲水性的多层膜，在实际危险废水净化领域展现着光明的应用前景。