本发明公开了一种多层金刚石涂层及其制备方法和涂层工具。本发明多层金刚石涂层包括至少一复合金刚石涂层结构单元,所述复合金刚石涂层结构单元包括微米晶金刚石涂层和依次生长在所述微米晶金刚石涂层表面的纳米晶金刚石涂层和超细纳米晶金刚石涂层。本发明多层金刚石涂层硬度和耐磨性以及韧性高,表面粗超度、摩擦系数和涂层应力低。本发明涂层工具包括工具本体和结合在工具本体表面的本发明多层金刚石涂层,同时,本发明涂层工具硬度高,抗耐磨性好,使用寿命长,且多层金刚石涂层与工具本体结合牢固,更有利于精密加工,降低加工成本,提高生产效率。