本发明属于医药领域，具体涉及一种CXCR4靶向多肽及其应用。本发明首先提供了一种CXCR4靶向多肽，所述CXCR4靶向多肽选自SEQ ID NO.1‑10中的任一条；接着提供了一种分子探针，所述分子探针由荧光标记或放射性核素偶联前文所述的CXCR4靶向多肽组成；最后还提供了前文任一所述的CXCR4靶向多肽，前文任一所述的分子探针，在制备用于癌症诊断或者治疗试剂中的用途。本发明提供的CXCR4靶向多肽，能特异性的靶向CXCR4，偶联荧光标记或放射性核素，实现肿瘤的高灵敏度活体成像；可用于肿瘤的筛查和早期诊断，还可以实现肿瘤的治疗监测。本发明的多肽具有良好的生物相容性和安全性。本发明的多肽均为首次报道，且获取方便，便于推广。