本发明公开了一种二氧化钛‑碳纳米管柔性复合薄膜及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：步骤1，将纯碳管薄膜加入无水乙醇中，搅拌条件下，逐滴滴加四氯化钛；滴加完毕后，持续搅拌待溶液上方的白烟散去，得到浸泡有薄膜的溶液；步骤2，取出步骤1得到的薄膜并转移至去离子水中，搅拌条件下，逐滴滴加步骤1得到的溶液，滴加结束后，持续搅拌，搅拌结束后，放入烘箱中，于50℃温度条件下，进行水热反应；步骤3，取出步骤2得到的薄膜，洗涤烘干，得到二氧化钛‑碳纳米管柔性复合薄膜。本发明得到的二氧化钛‑碳纳米管柔性复合薄膜具有良好的吸附性能，可用于污水中有机物的降解。