一种石墨烯/非晶二氧化钛纳米棒复合材料、制备方法及其应用，属于电磁波吸收领域。所述复合材料以氧化石墨烯、钛酸四丁酯为原料，通过一步水热法将氧化石墨烯还原为石墨烯的同时，钛酸四丁酯中的钛元素也在水热过程作用下以非晶二氧化钛纳米棒的形式均匀生长在在石墨烯片层两面，最终形成石墨烯/非晶二氧化钛纳米棒复合材料。其中，所得复合材料中的石墨烯片层的长、宽均处于为1～8μm之间，非晶二氧化钛纳米棒长度约为300～500nm。本发明所制备的复合材料能够有效吸收电磁波，通过调节复合材料的厚度，吸收频段可覆盖雷达波段的Ku波段(2-2.5mm)、X波段(2.5-3.5mm)以及绝大部分的C波段(3.5-5.5mm)，该材料简单易得，适宜大量制备，在电磁波吸收领域有广阔应用前景。