本发明属于储能器件领域，具体涉及一种原位碳包覆铌酸钛复合材料及其制备方法和应用。本发明制备方法包括如下步骤：(1)将铌源溶解后依次加入钛源、碳源，搅拌均匀得到混合溶液；(2)将混合溶液干燥、除去溶剂后得到粉末混合物；(3)将粉末混合物进行第一次热处理，得到初品；(4)将初品在含氧气氛中进行第二次热处理。本发明通过在第一步混料的过程中加入碳源，限制铌酸钛一次颗粒的过度长大，在惰性气体中进行第一次热处理使均匀分布的碳源热分解为碳，进行第二次热处理使得多余碳被氧化除去，不仅解决了碳包裹引入的过量碳产生的性能下降问题，还实现了限制铌酸钛过度长大，综合提高了材料的性能。