本发明提供了一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器及其操作方法，该反应器主体由下方的缺氧区、上方的好氧区和好氧区外周的沉淀区组成；缺氧区内有复合填料，一进水管连通所述缺氧区的底部；好氧区采用孔板分隔为上方添加载体的填料区，和下方的泥水混合区，缺氧区和好氧区之间通过不透水隔板进行分割，在所述好氧区底部设有若干个曝气管，其上开设进气小孔；沉淀区由三部分组成，由上往下依次为清水区、接触沉淀区和污泥回流区，污泥回流区底部为污泥回流缝，和所述好氧区的底部相通。本发明的反应器污泥回流实现无动力消耗，结构紧凑，设置的接触沉淀区也不需要反冲洗系统，且无需额外投加药剂和碳源，运行费用低。