本发明公开了一种纳米纤维素/木质素磺酸复合薄膜及其制备方法与应用。本发明以亚硫酸盐法制浆过程产生的“黑液”为原料提纯木质素磺酸,并作为增韧剂与纳米纤维素水分散液混合,通过溶液浇筑的方法制备出力学性能更佳、光学性能可调的全生物质基纳米复合材料。经添加少量木质素磺酸增韧后,纳米纤维素薄膜拉伸强度和断裂伸长率同时提升,且保留了较高的透光率,有望部分替代石油基高分子薄膜。