本发明公开了一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用，该复合材料主要是由钛或钛合金作为钛基体，石墨烯作为增强相，在复合材料的微观结构中，石墨烯均匀分布在钛基体颗粒周围形成三维网络状结构，即类似于钛基体颗粒填充于石墨烯三维网络状结构的网格中并且完全致密，所形成的石墨烯增强钛基复合材料。本发明采用交联反应的方法使石墨烯在钛基体颗粒表面良好包覆，克服了常规的球磨方法容易引入杂质与难以实现石墨烯均匀包覆的难题，经烧结成型得到三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料块体。本发明的复合材料具有高强度和高塑形，具有优异的综合力学性能，可以应用于航空航天、船舶舰艇等等国防军工领域。