本发明提供了一种臭氧催化氧化气浮一体化系统及其使用方法。该系统包括进水系统、臭氧气浮系统和催化氧化系统；进水系统的进水口位于臭氧气浮系统的下方；臭氧气浮系统包括臭氧发生器和微孔曝气器；进水系统和臭氧气浮系统分别和催化氧化系统连通；催化氧化系统包括催化氧化反应罐和从上到下依次设置于催化氧化反应罐内的至少两层催化氧化层，催化氧化层包括载体和负载于载体上的活性催化剂；臭氧通过微孔曝气器进入催化氧化反应罐，与从进水系统进入的污水混合后依次通过每层催化氧化层，在臭氧气浮的同时完成催化氧化，实现污水处理。本发明装置结构紧凑简洁，从从上到下依次设置多层催化氧化层，污水处理效果好。