本发明提出了一种分离乙烯裂解气的方法，是一种水合分离、深冷分离和膜分离操作的组合工艺，实现裂解气中氢气、甲烷与C2组分的分离。首先令待分离的裂解气进入水合分离单元与含水液体接触，控制水合条件使裂解气中的C2组分优先形成水合物，裂解气被分离成甲烷+氢气物流和甲烷+C2两股物流；甲烷+C2物流经脱水、冷却后进入深冷脱甲烷塔，实现甲烷与C2组分的精细分离；甲烷+氢气物流经脱水后进入膜分离器，对其中的氢气和甲烷进行分离，得到的甲烷物流经过预冷、膨胀，为脱甲烷塔提供冷量。本发明的工艺可省略传统工艺中的逐级冷凝工段和冷箱，降低能耗，提高经济效益。