本發明公開了一種多層金剛石涂層及其制備方法和涂層工具。本發明多層金剛石涂層包括至少一復合金剛石涂層結構單元,所述復合金剛石涂層結構單元包括微米晶金剛石涂層和依次生長在所述微米晶金剛石涂層表面的納米晶金剛石涂層和超細納米晶金剛石涂層。本發明多層金剛石涂層硬度和耐磨性以及韌性高,表面粗超度、摩擦系數和涂層應力低。本發明涂層工具包括工具本體和結合在工具本體表面的本發明多層金剛石涂層,同時,本發明涂層工具硬度高,抗耐磨性好,使用壽命長,且多層金剛石涂層與工具本體結合牢固,更有利于精密加工,降低加工成本,提高生產效率。