本发明涉及一种回火马氏体与等轴奥氏体片层相间分布的异质结构321奥氏体不锈钢及其制备方法。本发明首先将经过冶炼‑锻造‑热轧后的不锈钢板进行固溶处理；接着，对钢板进行预变形处理；随后，对预变形后的钢板进行低温深冷；最后，利用热处理炉对钢板进行低温回火处理。最终获得回火马氏体与等轴奥氏体片层相间分布的异质结构321奥氏体不锈钢，其组织特点是回火马氏体板条群呈条带状分布在等轴大尺寸奥氏体晶粒内，板条群对等轴奥氏体晶粒进行了分割，促使回火马氏体板条群与母相等轴奥氏体呈片层状分布。本发明利用片层状回火马氏体板条群提高大晶粒尺寸奥氏体不锈钢的屈服强度。