本发明属于质子交换膜技术领域，具体公开了一种改性质子交换膜及其制备方法与应用。该改性质子交换膜包括改性纳米二氧化硅和改性全氟磺酸树脂，改性纳米二氧化硅均匀分布于改性全氟磺酸树脂中；改性纳米二氧化硅的改性原料包括1,1‑二膦酸基乙醇，改性全氟磺酸树脂的改性过程为在全氟磺酸树脂的支链末端氨化后接枝2,3‑环氧丙基三甲基氯化铵。本发明在纳米二氧化硅表面接枝膦酸基团，并通过在全氟磺酸树脂的支链末端氨化后接枝2,3‑环氧丙基三甲基氯化铵，使全氟磺酸树脂的支链末端接上季胺基团，与膦酸基团产生强相互作用，起到锚定作用，从而提高了质子交换膜的保水性和玻璃化转变温度及高温电导率。