本发明涉及一种超薄碳膜的制备方法，包括以下步骤：在第一基体的表面形成碳化前驱体层，然后采用激光书写技术对所述碳化前驱体层的至少一部分进行原位碳化，得到致密的超薄碳膜；其中，所述第一基体的热膨胀系数为‑5×10‑6～60×10‑6/K，且所述第一基体对激光的吸收系数为0.01～3；所述碳化前驱体层的材质至少包括可碳化高分子；所述碳化前驱体层的厚度为10～2000nm；所述超薄碳膜的厚度为3～600nm。本发明的方法快速高效，成本低，可大规模生产，碳膜的尺寸、图案可实现自动化控制，且厚度超薄。