本发明公开了一种碳纳米场发射阴极及其制备方法和应用。本发明碳纳米场发射阴极包括导电基板、形成于所述导电基板表面的碳纳米管层和形成于所述碳纳米管层外表面的二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层。本发明碳纳米场发射阴极制备方法包括在导电基板表面形成碳纳米管层的步骤和在碳纳米管层表面形成二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层的步骤。本发明碳纳米场发射阴极具有大量有效的发射尖端,其场发射电压低,电流大,且发射性能稳定,其制备方法保证了碳纳米场发射阴极的性能稳定,降低了其生产成本。