本发明提供了一种耐腐蚀防护薄膜及其制备方法和应用，属于防护材料领域。本发明提供的耐腐蚀防护薄膜为多层结构，由基体表面至薄膜表面依次为金属M层、金属M与M2O5混合过渡层和M2O5层；所述M为V、Nb或Ta；所述耐腐蚀防护薄膜的制备方法，包括以下步骤：在基体表面采用离子镀方法沉积金属M，在基体表面形成金属薄膜；所述M为金属钒、铌或钽；采用原子氧束流辐照所述金属薄膜，在基体表面原位形成耐腐蚀防护薄膜；所述原子氧束流能量为4～10eV，辐照时间为60～180min。本发明提供的制备方法简单，容易操作，且制备得到的防护薄膜能够有效提高基体的抗腐蚀性能。