本发明提供了一种多级孔分子筛负载金属氧化物复合材料及其制备方法和应用，涉及复合材料技术领域。本发明提供的多级孔分子筛负载金属氧化物复合材料，包括多级孔分子筛以及负载在所述多级孔分子筛表面及孔道上的金属氧化物；所述多级孔分子筛为微孔‑介孔复合分子筛；所述金属氧化物包括NiO、La2O3和CeO2中的一种或多种。本发明将微孔分子筛和介孔分子筛的优良性能结合起来，从而实现对生物航空煤油碳链范围的有效调控。在本发明中，所述金属氧化物有助于调节复合材料的酸度和表面性能，使得复合材料具有高活性、长寿命、强抗失活、强抗积碳能力，显著增强了复合材料的脱氧效果，适用于催化热解油脂生产生物航空燃油。