本发明涉及宏基因组序列聚类技术领域，尤其涉及一种利用双层概率模型聚类宏基因组序列的方法，包括P1，利用第一层概率模型对初始宏基因组中的所有序列进行聚类，获得多个初级聚类；P2，利用第二层概率模型对每一个初级聚类进行再次聚类，获得最终聚类；所述第二层模型包括种子选择模型、k‑mer频率概率模型和覆盖度概率模型。本发明采用的利用双层概率模型聚类宏基因组序列的方法利用两层模型对初始宏基因组中的所有序列进行处理，能够有效利用宏基因组序列不同维度的特征，适用于所有宏基因组测序数据，例如肠道微生物数据、土壤微生物数据和水微生物数据等。