本发明公开了一种表面具有二氧化钛纳米棒阵列的复合膜,所述复合膜依次包括基膜、二氧化钛层和二氧化钛纳米棒阵列,所述二氧化钛纳米棒阵列由众多二氧化钛纳米棒组成,所述二氧化钛纳米棒的直径为10nm-100nm,所述二氧化钛纳米棒的长度为100nm-1μm。本发明还公开了所述复合膜的制备方法和作为抗菌膜的应用。本发明复合膜,结构稳定,抗菌效果显著。制膜方法简单,可控性强,基膜选择范围广,原料生物相容性好、安全级数达到食品级。同时,长期运行过程后复合膜表面的二氧化钛纳米棒阵列不易脱落,不会造成二次污染,且复合膜表面没有细菌沉积。