本发明提供了一种甲烷氧化催化剂及其制备方法和应用，所述甲烷氧化催化剂包括Al2O3载体、催化活性组分以及催化助剂，所述催化活性组分包括Pt掺杂PdO纳米晶，所述催化助剂包括La、Pr、Y或Nd中的任意一种或至少两种的组合，所述甲烷氧化催化剂解决了典型PdO/Al2O3催化剂活性及长周期稳定性不足、水热稳定性差的问题；所述制备方法采用两次等体积浸渍法依次负载催化助剂和Pt掺杂PdO纳米晶活性组分，工艺流程简单，适用于大规模生产，具有较好的应用前景。