本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种高强韧超细晶复合结构钛合金及其制备方法与应用。所述高强韧超细晶复合结构钛合金由以下质量百分比的元素组成：Ti 55％～62％，Nb 15％～24％，Fe 6％～16％，Co 2％～12％，Al 2％～6％，其微观结构是以富含Ti、Nb元素的体心立方无序固溶体相为基体相，以含富Ti、Co元素的等轴晶第二相为增强相。所述合金的制备方法为：将上述质量百分比的单质粉末经混粉、高能球磨制备非晶合金粉末和烧结得到高强韧超细晶复合结构钛合金。本发明制备的钛合金具有尺寸大、综合力学性能好的优点，可用于航空航天材料领域。