本发明公开了一种丙酮一步法制备甲基异丁基酮的催化剂组合物及其应用，所述催化剂组合物包括催化剂I和催化剂II，所述催化剂组合物中催化剂I和催化剂II的摩尔比为1：5～15，所述催化剂I包括活性组分和载体，所述活性组分质量分数为5～10％，所述载体质量分数为90～95％；所述活性组分选自钯或铂中的至少一种；所述催化剂II选自氯化铝、氯化铁、氯化锌或氯化锡中的至少一种，本发明提供的催化剂组合物可以明显提高丙酮转化率和MIBK选择性。