本发明公开了一种二氧化钛光催化薄膜及其制备方法。二氧化钛光催化薄膜具有海绵状的多孔结构，孔沿生长方向的长度为200nm～800nm，沿垂直于生长方向的最大宽度为10nm～300nm。二氧化钛光催化薄膜的制备方法，包括步骤：采用磁控溅射方法在基体沉积柱状结构的钛膜，沉积压力为0.1～1Pa；通过阳极氧化钛膜制备多孔结构的二氧化钛，溅射沉积的钛膜作为阳极，石墨作为阴极，电解液为氟化铵、水和有机饱和醇的混合溶液，恒定电压为25～50v；热处理后得到二氧化钛光催化薄膜。本发明二氧化钛光催化薄膜兼具高透光性和高光催化反应速率常数的特点，满足自清洁玻璃，空气和废水净化等光催化材料的需求。