本发明公开了一种石墨烯/无机半导体复合薄膜及其制备方法。该制备方法包括：以氧化或还原石墨烯和无机半导体前驱物作为主要原料，采用溶胶-凝胶法或水热/溶剂热合成法，以石墨烯的表面功能基团作为成核点，利用成核点控制无机半导体的尺寸，形貌及结晶性能，制备均匀的复合薄膜。本发明制备的复合薄膜利用石墨烯表面的功能基团，与无机半导体形成氢键、离子键或共价键，无机半导体的存在提高了石墨烯片之间的分散性，弥补了石墨烯的表面缺陷，提高了石墨烯的导电性和均匀性，改善了石墨烯与半导体纳米颗粒的界面几何接触和能级匹配，扩大了器件的应用范围，适用于太阳能电池、传感器、有机发光二极管(OLED)、触摸屏等光电领域。