本发明涉及石油天然气管材技术领域，特别涉及一种强韧性钛合金油管及其热处理方法。一种强韧性钛合金油管，其化学元素成分按重量百分比为：Al：3.5%~4.0%，Mo：2.5%~3.5%，Cr：3.0%~3.5%，Zr：0.5%~0.6%，Pd≤0.1%，V≤0.1%，C≤0.015%，H≤0.01%，O≤0.01%，N≤0.05%，Fe≤0.05%，余量为Ti及不可避免的杂质。本发明通过分别在步进式连续淬火炉和步进式连续回火炉中进行对钛合金油管进行固溶、时效两步热处理，可以获得由初生相和次生相混合的双态组织，使钛合金油管具有较高强度和韧性，本发明热处理方法操作方便，不改变现有的操作设备、流程，适用于工厂批量生产，且具有较高的生产效率。