本发明涉及水凝胶技术领域，具体公开一种高强度多层级水凝胶及其制备方法和应用。所述制备方法包括：将聚电解质加入水中，混合均匀，得聚电解质溶液；向所述聚电解质溶液中加入交联剂进行交联反应，然后进行冷冻，得水凝胶；或向所述聚电解质溶液中加入第一强酸溶液或第一金属离子溶液后，进行冷冻，得水凝胶；将所得水凝胶解冻后，浸泡至第二强酸溶液或第二金属离子溶液中，清洗，得所述水凝胶。本发明制备的水凝胶形成了微米级孔洞结构，以及纳米级网格微纤的孔壁结构，是一种具有多层级结构的水凝胶，微米级孔洞赋予水凝胶柔性；纳米骨架与孔洞、氢键或离子配位键之间协同分散应力，防止裂纹扩展，赋予水凝胶高强度、高韧性的性能。