本发明提供一种轻质烷烃低温异构化催化剂及其制备方法和应用，该催化剂是一种具有多个酸性位点且具有产物分布改善功能的轻质烷烃低温异构化催化剂，该催化剂是以阳离子部分含有多个季铵氮原子的季铵盐卤化物为中间体，然后与Lewis酸反应形成具有多个酸性位点的离子液体催化剂。本发明提供的催化剂具有多个酸性位点，可在低温不需添加引发剂的作用下高效催化轻质烷烃异构化反应，具有较高的目标产物选择性，可减少催化剂用量，降低轻质烷烃异构化成本，提高经济效益，具有较好的工业化前景和使用价值。