本发明公开了一种碳纳米管改性石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。该制备方法包括：(1)将胺功能化的碳纳米管、表面活性剂、氧化石墨烯和还原剂分散于水中形成均相混合分散液；(2)将混合分散液搅拌发泡，得到混合泡沫液；(3)将混合泡沫液在60～100℃下进行反应2～12h，冷却至15～35℃，得到碳纳米管改性石墨烯水凝胶；(4)将碳纳米管改性石墨烯水凝胶在‑10～‑60℃下冷冻处理，然后进行常压干燥处理，得到碳纳米管改性石墨烯气凝胶。本发明的碳纳米管改性石墨烯气凝胶具有良好的弹性、机械性能以及疏水性能。