本发明公开了一种高导热碳纤维预浸料及其制备方法，包括纳米纤维膜、高导热碳纤维束A和高导热碳纤维束B，高导热碳纤维束A与高导热碳纤维束B交替间隔布置；纳米纤维膜依次交替穿插于高导热碳纤维束A与高导热碳纤维束B之间；高导热碳纤维束A与高导热碳纤维束B远离纳米纤维膜的一侧均含浸有热熔树脂。本发明通过纤维纱束错位排列两次热压浸胶制备负载纳米纤维膜的碳纤维预浸料，一方面，减少了引纱过程中的断丝率，提高了预浸料的性能、制备效率和由该高导热碳纤维预浸料制备的高导热复合材料的面内性能；另一方面，通过引入纳米纤维膜且在预浸料内贯穿厚度方向排布提高了由该高导热碳纤维预浸料制备的高导热复合材料的层间剪切性能。