本发明涉及航天器热防护材料制备技术领域，提供一种表面强韧化梯度热防护结构及其制备方法，该热防护结构包括：主要由纤维增强玻璃基复合材料热防护面板构成的外层；热防护面板采用的陶瓷纤维刚性隔热瓦记为第一刚性隔热瓦；以及，主要由第二刚性隔热瓦构成的中间层；以及，主要由刚性隔热瓦/二氧化硅气凝胶复合材料构成的内层；所述外层用于使所述热防护结构的表面温度从T1降低至T2；所述中间层用于使所述T2降低至T3；所述内层在所述T3温度下不收缩。本发明采用结构设计以及传热设计，能兼顾梯度降温和维持整体结构稳定的双重作用，使热防护结构的力学强韧性、耐高温性和隔热性均能满足高超音速飞行器的要求。