本发明公开了一种Fe掺杂TiO2/PVA复合膜及其制备方法和应用，所述制备方法包括：将钛源与铁源在醇溶剂中进行水热反应，得到Fe掺杂TiO2；将所述Fe掺杂TiO2与二异氰酸酯在有机溶剂中进行缩合反应，得到NCO化Fe掺杂TiO2；将所述NCO化Fe掺杂TiO2与聚乙烯醇在水中进行混合后成膜，即得到所述Fe掺杂TiO2/PVA复合膜。本发明上述复合膜中，一方面通过掺杂Fe使得TiO2的可吸收波长红移至可见光区，提高TiO2光催化活性的同时赋予其磁性性能，以便于回收；另一方面通过将Fe掺杂TiO2表面接枝有异氰酸酯基团，从而显著改善了Fe掺杂TiO2在聚乙烯醇中的分散性和相容性，赋予所得Fe掺杂TiO2/PVA复合膜以优异的光催化活性。