本发明属于聚合物复合材料技术领域，具体为一种改性石墨烯/聚酰亚胺树脂复合材料及其制备方法。该复合材料的组成为：聚酰亚胺树脂95.0-99.9wt%，改性石墨烯0.1-5.0wt%，其中聚酰亚胺树脂为由可交联基团封端的预聚体热交联而获得的热固性聚酰亚胺树脂。制备过程包括氧化石墨烯的改性、改性石墨烯与可交联预聚体的溶液共混和前驱体的原位热交联。在该复合材料中，改性石墨烯均匀分散且呈层状排列分布，并且由于改性石墨烯与聚酰亚胺树脂之间通过原位热交联反应形成共价键作用力，复合材料具有优异的界面结合性能。本发明的复合材料的力学性能、耐磨性和疏水性均有大幅度的提高，可适用于航空、航天、机械、电子、汽车、家电、办公等领域。