本发明提出一种提高金属材料疲劳寿命的复合方法，该方法复合了基体表面强化技术和离子注/渗技术两部分，包括如下步骤：(1)利用表面强化技术手段对金属材料进行表面强化处理，经表面强化技术作用后获得的所述金属材料的表面强化层的应力状态为压应力；(2)对金属材料表面强化层进行离子注/渗工艺处理。本发明的复合方法，提升了金属材料表面或次表面产生疲劳裂纹的应力水平，最终达到疲劳寿命提高的目的。本发明复合方法工艺简单，显著提高金属材料疲劳寿命，可广泛应用于金属材料机械关键部件的疲劳寿命改善，尤其适用于高温环境下服役的金属部件。