一种离子注入纳米强化层的制备方法，包括如下步骤：对待加工件进行预处理，采用超声波清洗对所述待加工件进行离子注入前的清洗；将清洗后的所述待加工件放入真空室内，装夹在工装卡具上并抽真空；对所述待加工件进行升温；采用气体离子源或MEVVA离子源对所述待加工件进行非金属离子注入；以及采用MEVVA离子源对所述待加工件进行金属离子注入。本发明在不改变引出离子能量的条件下，通过增加待加工件内部原子之间的间距后，再进行离子注入，大大提高了注入离子入射到工件表面的浓度和深度，改变了工件材料更深层次的化合物，以及强化相，进一步提高了工件材料表面的硬度和抗接触疲劳性能，从而可以进一步延长工件改性层的寿命。