本发明涉及类石墨薄膜(GLC)技术领域，本发明提供了一种类石墨纳米多层薄膜及其制备方法和应用，所述类石墨纳米多层薄膜由纯GLC薄膜与掺金属GLC薄膜交替组成，所述掺金属GLC薄膜中金属为第六副族元素，每个相邻纯GLC薄膜与掺金属GLC薄膜两膜层的总厚度为30nm～80nm。本发明将掺杂改性和结构设计这两种优化手段引入到GLC薄膜研究中，获得一种具有局部掺杂、整体多层的结构特征的新型GLC薄膜，其具有高硬度、低应力、强韧性等特点，并且摩擦学性能优异，能很好地实现力学性能与摩擦学性能的协调匹配，利于其在各种工程部件上的广泛应用。