本发明公开了一种超强抗油污染油水分离膜及其制备方法与应用。所述油水分离膜包括表面修饰层，是经过先原位构建亲水性聚合物水凝胶层，再在亲水性聚合物水凝胶层表面接枝亲水性聚合物刷而获得的，该表面修饰层具有亲水性聚合物刷和亲水性聚合物水凝胶共存的分层级空间分子结构。本发明提供的油水分离膜表面具有超强的亲水和水下疏油性能，干态的膜表面在受原油污染后依然可在水下实现高效自清洁，在错流分离环境下可有效抑制油滴的粘附、堆积和滤饼的产生。在对多类烷烃油以及多种中药挥发油的油水乳液进行分离时，其分离水通量可始终保持几乎“零衰减”，衰减量在10％以内，并可同时达到1000Lm^‑2h^‑1bar^‑1以上。