本发明公开了一种不锈钢表面复合渗层及其制备方法和应用，该不锈钢表面复合渗层包括表面CrN+Cr2N层以及氮化奥氏体扩散层。本发明以梯度离子渗氮处理结合渗铬处理，获得了一种新的不锈钢表面复合渗层，与传统的渗氮后渗铬方法相比，本发明的复合渗层具有完整致密的CrN+Cr2N层与氮化奥氏体扩散层的梯度渗层结构，渗层耐腐蚀性能和耐磨性能更优良，渗层与基体结合强度高，韧性好。同时本发明的复合渗层的制备方法操作简单，渗速快，可制备大厚度渗层，并且可在复杂工件表面实现均匀渗层，适合规模化生产，可广泛应用在不锈钢工模具、海洋平台、核能、燃料电池、高端装备运动部件等领域。