本发明属于合金加工技术领域，公开了一种高强韧双尺度结构钛合金及其制备方法与应用。所述钛合金成分体系为Ti‑Nb‑Cu‑Co‑Al，各元素的原子百分比为Ti58～70％，Nb9～16％，Cu4～9％，Co4～9％，Al2～8％；其微观组织结构包括微米晶等轴bcc β‑Ti和超细晶等轴bcc β‑Ti双尺度共存，同时微米晶板条fcc CoTi2和超细晶等轴fcc CoTi2双尺度共存，或超细晶板条fcc CoTi2孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bcc β‑Ti内弥散分布纳米针状马氏体α′相。所得钛合金的力学性能具有极大的提升，可用于航天航空、兵器、体育器材等领域。