本发明提供了一种多级孔铁基催化剂的制备方法，包括步骤：合成氢氧化铁复合晶体、以可溶性铁盐为原料，采用模板法和水热合成法合成氢氧化铁复合晶体；煅烧处理、先对所述氢氧化铁复合晶体进行研磨处理，再进行高温煅烧处理，制得多级孔铁基催化剂。本发明还提供一种由上述方法制备的多级孔铁基催化剂。本发明还提供了一种上述多级孔铁基催化剂在制备甲烷中的应用。上述多级孔铁基催化剂是在传统铁基催化剂的基础上，引入模板剂形成多级孔结构，形成独特的孔道结构，该孔道结构限制了高碳分子的生成，进而大大提高了甲烷的选择性。