本发明涉及高分子材料的技术领域，具体涉及一种碳膜水凝胶及其制备方法。所述碳膜水凝胶包括水凝胶和填充在所述水凝胶中的碳纳米薄膜，所述碳纳米薄膜包括石墨烯纳晶和无定型碳，所述石墨烯纳晶嵌入所述无定型碳中。相比于无碳膜水凝胶，本发明的碳膜水凝胶的三维网络孔道更大，能保存更多水分，并延长使用寿命和提升拉伸性能。而且，由于碳纳米薄膜具有sp3杂化的非晶碳结构、sp2杂化的石墨烯纳晶结构以及裸露的石墨烯纳晶所带来的的高密度边缘结构，使碳膜水凝胶同时获得了优异的强度、拉伸性能和抗疲劳性能。