本发明公开了一种石墨烯阵列表面原位生长碳纳米洋葱、制备方法及应用，以石墨烯阵列为基底，在催化剂的作用下，通过化学气相沉积，在石墨烯阵列表面原位生长出碳纳米洋葱，使得碳纳米洋葱颗粒均匀生长在石墨烯阵列表面，具有良好的分布均匀性、结晶度以及稳定性。碳纳米洋葱与石墨烯阵列的组合，综合了两者功能上的优点，石墨烯阵列提供了大的比表面积、良好的导电导热基底以及分散性，碳纳米洋葱的原位生长进一步增强了石墨烯阵列的功能性，提供了电磁属性和自旋电子属性，使其可以在真空微电子、电磁屏蔽、催化、电化学储能等方面具有广阔的应用价值。