本发明提供了一种镍基单晶高温合金的热处理方法，涉及高温合金技术领域。本发明方法包括以下步骤：将镍基单晶高温合金铸件先在1280℃～1300℃下进行一级热处理，再在1330℃～1350℃下进行二级热处理，升温至1360℃～1380℃后，进行三级热处理，最后进行冷却处理。本发明通过3级热处理制度将合金的热处理窗口上限温度由1340℃提升到了1380℃，扩大了合金的固溶热处理窗口，使固溶热处理的最高热处理温度提高，极大的提高了DD476合金各元素(尤其是Re、W等元素)的均匀化程度，提高了单晶合金的性能。