本发明公开了一种天然气催化氧化制氢和烯烃的方法。所述方法包括如下步骤：LNG经梯级换热后气化得到甲烷；甲烷与氧气混合后进行甲烷氧化偶联反应；产生的产品气经第一高温换热后进行催化裂化制烯烃反应；催化裂化制烯烃反应产生的产品气经第二高温换热后进行CO变换反应；产生的产品气经中温换热后依次进行CO2胺洗和干燥；经上述处理的产品气进行梯级换热得到混合气；混合气进行膜分离，得到的甲烷与LNG混合作为原料气，得到的氢气经变压吸附提纯。本发明方法耦合了氧化偶联过程与LNG冷能利用过程，既能实现甲烷向氢的能量转化，又能充分利用甲烷中的碳生成高附加值工业烯烃产品，通过LNG深冷换热完成甲烷、烯烃、CO2和H2的分离，是甲烷高附加值利用的重要途径。