本发明公开二维石墨烯纤维及其制备方法，包括：将氧化石墨烯浆料涂布至凹槽基材上，得到氧化石墨烯涂层，涂布的方向为X向；将氧化石墨烯涂层进行半干燥处理；将基材沿着另一平面方向Y向进行拉伸，将基材波浪状部位拉直，半干燥的氧化石墨烯涂层随之分裂成数根平行排列的纤维状涂层；进一步干燥处理至完全干燥后，从基材上剥离，得到氧化石墨烯纤维；将氧化石墨烯纤维进行碳化和石墨化处理，得到石墨烯泡沫纤维；将石墨烯泡沫纤维进行压延处理，得到二维石墨烯纤维。本发明还公开其应用。本发明微观上是规则的层状堆叠结构，孔隙率较小。