本发明提供了一种原位合成碳化铝增强铝基复合材料及其制备方法，包括铝粉和石墨烯粉末，铝粉和石墨烯粉末通过原位反应生成弥散分布的具有纳米尺度的Al4C3，纳米尺度的Al4C3以两种形态分布在复合材料内，其中一种是以棒状形貌两端分别向两个铝晶粒内部生长，钉住两个相邻铝晶粒，另外一种是以棒状长度方向沿晶界排列，可有效地阻止位错和晶界迁移。本发明一方面纳米尺度的Al4C3有效钉扎Al基体晶界迁移，保留Al基体的强度，同时Al4C3作为硬质增强相，由于应力承载和奥罗万作用使得复合材料具有较高的室温强度和高温力学性能，该复合材料在航空航天等高服役温度条件领域有着广泛的应用前景。