本发明提供了一种二氧化碳分离复合膜及其制备方法和应用，属于膜分离技术领域。本发明提供的二氧化碳分离复合膜，包括基底和和附着在所述基底表面的气体分离层；所述气体分离层由n层重复单元组成；所述n为5～40中的整数；所述重复单元包括由内而外依次设置的：水滑石纳米片层、聚丙烯酸树脂层、聚乙烯亚胺层和聚丙烯酸树脂层，或聚丙烯酸树脂层、聚乙烯亚胺层、聚丙烯酸树脂层和水滑石纳米片层，或聚乙烯亚胺层、聚丙烯酸树脂层、水滑石纳米片层和聚丙烯酸树脂层，或聚丙烯酸树脂层、水滑石纳米片层、聚丙烯酸树脂层和聚乙烯亚胺层。本发明提供的二氧化碳分离复合膜对CO2同时具备扩散选择性、溶解选择性和反应选择性，对CO2的选择性高。