本发明公开了一种二氧化钛复合涂层，包括二氧化钛和洋葱状富勒烯，所述洋葱状富勒烯的质量为二氧化钛质量的1％～20％。本发明还提供一种二氧化钛复合涂层的制备方法，原料悬浮液包括纳米金刚石或洋葱状富勒烯，经悬浮液热喷涂工艺，将原料悬浮液喷涂沉积到金属基体上，得到二氧化钛复合涂层。本发明提供的二氧化钛复合涂层通过二氧化钛与洋葱状富勒烯的复合，能够显著降低二氧化钛的禁带宽度、减小二氧化钛的晶粒尺寸和增加二氧化钛表面的吸附能力，对光催化过程的三个步骤都具有促进作用；并且制备方法具有操作简单、工艺流程少、成本低、适合工业化生产等优点。