本发明公开了一种改善奥氏体不锈钢表面硬化层的方法，包括如下步骤：第一步：将工件进行固溶处理；第二步：将固溶处理后的工件进行机械冷碾压或拉拔；第三步：将经过机械冷碾压或拉拔处理的工件进行部分消除机械应力的三段回火处理；第四步：将消除机械应力处理后的工件进行精加工；第五步：将机加工后的工件放入真空加热炉中，且所述真空加热炉内放置可热分解的破膜剂，对炉内奥氏体不锈钢进行三段式破膜处理；第六步：待破膜结束后，对工件进行低温氮碳共渗的处理。解决了现有技术中，奥氏体不锈钢表面硬化层的厚度不均，使得奥氏体不锈钢表面硬化处理后产品的尺寸发生较大变化且耐磨性较差的技术问题。