本发明一种基于CEA检测的二维材料生物传感器及其制备方法和应用，属于二维材料生物传感技术领域。本发明基于CEA检测的二维材料生物传感器，利用化学气相沉积法将单层WS2晶体生长至Si/SiO2基底上，利用湿法转移的方法转移到ITO基底上，再利用双(三氟甲烷)磺酰亚胺处理单层WS2晶体，通过表界面化学修饰，固定AntiCEA探针蛋白，获得生物传感器。本发明制备的单层WS2晶体易于生长，荧光均匀，而且性能较好，此生物传感器检测癌胚抗原具有过程简单，高灵敏度，检测极限低，生物分子免标记等特点。