本发明提供一种纤维素基纳米纤维材料及其制备方法和应用。纤维素基纳米纤维材料的制备方法为：将纤维素原料溶解于离子液体中，然后向其中添加非质子型溶剂，得到静电纺丝溶液；以质量百分比计，静电纺丝溶液包括：纤维素4％～6％，离子液体10％～76％，非质子溶剂20％～84％；纤维素聚合度为100～1200；使用静电纺丝溶液进行纺丝，纺丝的环境湿度为50％～80％，得到纤维素纳米纤维；将纤维素纳米纤维浸入N‑异丙基丙烯酰胺、交联剂和引发剂的混合溶液中12h～24h，随后将浸渍后的纤维素纳米纤维取出，浸入四甲基乙二胺液体中12h～24h进行反应，得到纤维素基纳米纤维材料。本发明制备的纤维素基纳米纤维材料油水分离效率高，循环使用性能好，能实现按需自动化油水分离，更加适于实用。