本发明属于镁合金表面处理技术领域，具体地，本发明公开了一种镁合金表面双层复合膜、制备方法及其应用。所述方法包括以下步骤：将镁合金进行预处理得到基体；将碱性氢氧化物和磷酸盐溶解到水中得到微弧氧化电解液；以所述基体为阳极，惰性电极为阴极，将阳极和阴极浸入所述微弧氧化电解液中，进行微弧氧化处理，以在阳极表面原位生成MgO膜且在该MgO膜表面生成水滑石膜，得到所述镁合金表面双层复合膜。本发明利用微弧氧化处理实现一步在镁合金表面原位生成MgO/LDHs双层复合膜层，由此解决现有技术中只能通过二步法实现镁合金表面双层复合膜层的制备，且制备过程繁琐不利于工业推广的技术问题。