本发明涉及硬质合金技术领域，提供了一种高强高硬微观偏聚非均匀结构硬质合金及其制备方法和应用。本发明依次通过硬质合金偏聚料的真空热处理、真空热处理后的偏聚料与硬质合金基体料的球磨混料、模压成型和烧结，制备得到的硬质合金是一种具有新型组织结构的硬质合金，即微观偏聚非均匀结构硬质合金。其组织结构在微米级视窗中能够明显区分出硬度较高的偏聚体和强度较高的基体，在毫米级及以上视窗中显现出均匀组织。本发明制备得到的微观偏聚非均匀结构硬质合金兼具偏聚料的高硬度和基体料的高强度，具备优异的综合力学性能，满足复杂地质钻掘工况的使用。