本发明属于涂层领域，具体涉及一种纳米多层结构涂层及其制备方法和应用。所述纳米多层结构涂层包括以周期性A‑B‑A‑B或B‑A‑B‑A的方式排列的A层和B层，所述A层以TiAlN立方相作为主相结构且其组成以化学式Tix1(Alx2Hfx3Mex4)Nx5表示，所述B层以HfAlN立方相作为主相结构且其组成以化学式Hfy1(Aly2Tiy3Me`y4)Ny5表示。本发明提供的纳米多层结构涂层兼具有超硬度、强韧性及高结合力强度，进而具备长切削寿命。