本发明涉及煤化工技术领域，公开了一种含氧煤层气多段自热催化脱氧转化制合成气的方法，包括如下步骤：步骤(1)，将预热后含氧煤层气分成多股物流；步骤(2)，第一股含氧煤层气先与蒸汽混合，进入第一段自热催化脱氧转化反应器进行自热催化脱氧及甲烷蒸汽重整反应；步骤(3)，出第一段自热催化脱氧转化反应器出口气与第二股含氧煤层气混合后进入第二段自热催化脱氧转化反应器进行自热催化脱氧及甲烷蒸汽重整反应，依次类推；步骤(4)，最后一段自热催化脱氧转化反应器出口气再进入纯氧转化反应器或空气转化反应器进行转化反应。本发明的方法反应温度可控，只需一次补入蒸汽，加入蒸汽量少，热量利用效率高，节省能源和投资。