本发明公开了一种高导热微纳米复合材料及其制备方法。该方法将石墨或膨胀石墨分散于表面改性剂溶液中，高速搅拌30～60分钟后，将所得的混合物超声剥离0.5～10小时后，经过滤、干燥后即得到微纳结构导热填料；将所述微纳结构导热填料与热塑性聚合物经熔融混合或溶液混合后得到微纳米复合材料，再将所制得的微纳米复合材料放入模具中在170℃～300℃，10～18MPa下热压成型即得到高导热微纳米复合材料；微纳结构导热填料在复合材料中的质量含量为5%～30%。本发明是以石墨或膨胀石墨为原料，在表面改性剂的作用下经超声剥离而成的。本发明提供的高导热微纳米复合材料导热性能优异、力学性能好、制备工艺简单、成本低廉。