本发明公开了一锅法制备海鞘纳米微晶纤维素/橡胶纳米复合材料的方法。该方法室温下将天然胶乳稀释，并缓慢滴加乳化剂；将海鞘纳米微晶纤维素悬浮液与所得乳化后的天然胶乳进行共混，得到预混物；向预混物中缓慢滴加甲酸，然后缓慢加入双氧水进行反应；反应结束后，调pH值至6～8、凝固、漂洗、脱水、干燥，得到海鞘纳米微晶纤维素/橡胶混合物；将得到的混合物与硫化剂在开炼机上进行混炼，放置后硫化成型。本发明克服了现有技术中两者界面之间只有物理相互作用而存在的强度较差的问题，所制备的橡胶纳米复合材料具有高强度、高模量、高耐磨等优异性能，可以更充分的发挥纳米微晶纤维素的补强效果。