本发明提供了一种直立石墨烯纳米片复合散热薄膜及其制备方法和应用，属于散热材料技术领域。包括：提供金属基底，对金属基底进行等离子体表面处理，得到预处理金属基底；将碳前驱体、一维补强剂和水混合，得到碳前驱体/一维补强剂混合溶液；将碳前驱体/一维补强剂混合溶液喷涂在预处理金属基底的表面后进行反应，得到直立石墨烯纳米片复合散热薄膜。本发明通过对金属基底进行等离子体表面处理，使金属基底的表面粗糙度和亲水性能够保证碳前驱体/一维补强剂混合溶液铺展越均匀，适合直立石墨烯纳米片的生长，进而得到均匀分布的直立石墨烯纳米片，一维导热补强剂提供有效的导热通道，从而进一步增强直立石墨烯纳米片复合薄膜的散热性能。