本发明公开了一种高强高韧碳纳米管复合相变纤维、其制备方法及应用。所述复合相变纤维包括碳纳米管纤维和相变材料,所述相变材料均匀分布于碳纳米管纤维内或其形成的网络结构中。所述制备方法包括:使碳纳米管纤维在电解所产生的气体的作用下产生均匀膨胀;将得到的具有膨胀网络结构的碳纳米管纤维浸渍于相变材料溶液中,使其中的相变材料充分渗透入所述碳纳米管纤维的膨胀网络结构内部,再进行致密化处理,制得高强高韧碳纳米管复合相变纤维。本发明制备的高强高韧碳纳米管复合相变纤维具有更高的耐温特性,强度高,相变温度可调范围宽,相变潜热高,可溶于有机溶剂的各种石蜡材料,有望在未来可穿戴环境能源收集器件上有非常广阔的应用前景。