本发明提供了一种以异丁烯为原料一步法直接制备甲基丙烯酸的催化剂及其制备方法。该催化剂包含Mo‑Bi金属氧化物和介孔Mo‑P杂多酸两种不同的活性组分，可分别将异丁烯选择性氧化为甲基丙烯醛以及将甲基丙烯醛进一步氧化为甲基丙烯酸。该催化剂的制备方法分为两步，在制备得到Mo‑Bi金属氧化物颗粒后，再次将其分散于含有表面活性剂和二氧化硅前驱体的Mo‑P杂多酸前驱体溶液中得到复合催化剂。催化剂的热处理方法也分为两步，即在惰性气体和氧化性气体氛围中分别焙烧，最终得到具有良好热稳定性的催化剂。该催化剂可以实现一步法直接将异丁烯氧化成为甲基丙烯酸，具有良好的反应活性和热稳定性。