本发明涉及一种高保水性气体扩散层和膜电极及其制备方法，包括以下步骤：将多孔碳纳米片、聚四氟乙烯分散液、增稠剂以及溶剂混合，分散均匀得到微孔层浆料；将微孔层浆料涂布在疏水碳纸表面，静置使部分微孔层浆料渗入至疏水碳纸孔隙中，之后进行干燥，形成第一微孔层；在第一微孔层上再涂布一层微孔层浆料，干燥形成第二微孔层；之后进行烧结，得到气体扩散层。本发明通过使用多孔碳纳米片，迫使液态水只能从纳米片之间的大孔间隙中排出，显著延缓了液态水的排出效率，同时多孔碳纳米片中的孔结构又可以作为气体传输通道，在实现保水的同时不影响反应气体传输和电池性能。