本发明公开了一种三维多孔二氧化钛纳米管催化剂及其制备方法和应用，属于纳米材料制备技术领域。该催化剂由相互搭接的二氧化钛纳米管组成。其制备方法是以由纳米纤维或碳纳米管相互搭接组成的三维多孔海绵作为模板，原位负载二氧化钛。之后，利用在空气中加热的方法将三维多孔海绵氧化除掉，形成三维多孔二氧化钛纳米管催化剂。本发明还提供了所述催化剂在吸附-光催化降解水体中染料分子的应用。一方面，二氧化钛纳米管具有高的比表面积，对染料分子降解效率高；而且，二氧化钛纳米管易从溶液中分离，方便催化剂回收再利用。因此本发明得到的三维多孔二氧化钛纳米管光催化剂具有降解效率高、易分离和回收、能同时降解水中的多种污染物等优点。