本发明提供一种层间改性碳纤维复合材料及其制备方法和应用，所述层间改性碳纤维复合材料由短切碳纤维在碳纤维预浸料上垂直取向制备而成，所述层间改性碳纤维复合材料包括单向或多向排布的碳纤维预浸料、层间垂直取向的短切碳纤维以及树脂基体。本发明提供的基于垂直取向短切碳纤维的层间改性碳纤维复合材料，其不仅具有优异的层间力学性能(层间韧性得到显著提升)，其厚度方向上的导电性能、导热性能也得到较大幅度的提升。此外，本发明的制备工艺简单，条件温和，无需复杂设备，在大规模制备方面具有显著的优势。