本发明公开了一种三氧化钨碳纳米管复合薄膜、其制备方法及应用。该薄膜是由表面包裹三氧化钨的碳纳米管构建的网络结构，具有节约成本、柔性，半透明等特点。其制备方法为：采用有序或无序碳纳米管薄膜为模版，在有基底支撑或无基底存在的条件下，以有机金属化合物为钨源，通过化学气相沉积，在低温下一步形成晶型、面积、取向度和膜厚可控的目标产物。该三氧化钨碳纳米管复合薄膜除可作为电致变色材料应用之外，还可应用于光催化、太阳能等领域。