本发明公开了一种梯度孪晶镁合金及其制备方法，属于金属板材表面纳米化技术领域。本发明采用超声波能量冲击和传统滚压相结合的方式，将静载压力和超声波冲击振动传递到球形加工头，对镁合金板材进行表面往复处理。基于镁合金中孪生变形对织构的敏感性，通过调控镁合金织构及滚压路径，使板材表面产生高密度孪晶，形成梯度孪晶组织，变形层厚度可高达2000μm。与传统直流电解沉积法制备梯度孪晶组织相比，本发明能够在大尺寸镁合金板材上制备出厚度在较大范围内可控的梯度孪晶组织，同时提升镁合金的强度、耐腐蚀性以及疲劳性能，能够实现规模化应用。