本发明公开了一种提高直流沿面闪络电压的绝缘子试样臭氧梯度表面处理方法，属于高压绝缘材料技术领域。1)对绝缘子试样进行表面处理后烘干；2)将保护套置于绝缘子试样上方使绝缘子试样上方表面裸露指定高度；3)将绝缘子试样置入臭氧处理平台，打开处理装置，使处理腔中臭氧的气压和浓度稳定在指定值对绝缘子试样进行处理；4)关闭臭氧处理装置，取出试样，将保护套下移至指定位置；重复步骤3)和4)两次后再次重复步骤3)，最后关闭臭氧处理装置，取出试样，取下保护套，获得臭氧梯度改性的绝缘子试样。本发明提供的绝缘子试样臭氧梯度表面处理方法，可显著降低表面电场畸变，为提升绝缘子试样的直流沿面闪络性能打下基础。