本发明提供了一种公路桥梁防水结构及其施工方法。该防水结构：自下而上，依次是桥面水泥混凝土基层、改性乳化沥青涂膜、改性乳化沥青稀浆封层和沥青混凝土面层，其中，改性乳化沥青涂膜与改性乳化沥青稀浆封层构成了桥面防水层。该防水结构的施工方法为：在经过铣刨、冲洗干净后的桥面水泥混凝土基层上面，先喷洒或者涂刷一层改性乳化沥青，再铺筑改性乳化沥青稀浆封层，然后摊铺热沥青混合料构成沥青混凝土面层。本发明能增强防水层与桥面水泥混凝土基层和沥青混凝土面层的粘结，防止沥青混凝土面层与防水层之间产生滑移，有效避免水对水泥混凝土基层的侵害，提高桥面的防水性能，延长桥梁的使用寿命。