本发明公开了一种多晶硅薄膜及其制备方法、阵列基板、显示装置，属于半导体技术领域，该多晶硅薄膜的制备方法包括以下步骤：（1）形成石墨烯层和非晶硅层，其中石墨烯层和非晶硅层相邻；（2）使非晶硅晶化形成多晶硅，得到多晶硅薄膜。通过该方法制得的多晶硅薄膜中的多晶硅具有无污染及缺陷密度低的优点，得到的多晶硅的晶粒大小均匀、排列有序且晶粒较大，进而具有较佳的表面平坦度。通过该方法制备的多晶硅薄膜内部的载流子的速率大大增加，并提升了多晶硅薄膜晶体管的元件表现。