本发明公开了一种线粒体靶向的纳米药物递送系统，包括连接有TPP的聚乙二醇和连接有化疗药物的缩硫酮linker，且两者通过氨基和羧基缩合反应彼此连接。还包括DSPE‑PEG和光敏剂；化疗药物在内侧形成疏水的核，聚乙二醇在中间形成亲水的壳层，TPP在外侧形成靶向线粒体的冠，光敏剂是疏水结构分布在核内和/或核的周围。TPP可选择性定位于线粒体。该系统是ROS响应的，激光激发光敏剂释放ROS，ROS切割缩硫酮linker释放出化疗药物，同时ROS可进行光动力治疗，从而实现线粒体靶向的光动力治疗和化疗的协同治疗作用。本发明还公开了该纳米药物递送系统的制备方法和应用。