本发明涉及二氧化钛合成技术领域，公开了一种小粒径稳定分散纳米二氧化钛合成方法，包括以下步骤：（1）将钛源和沉淀剂置于溶剂中进行反应，得到沉淀物；（2）将所述沉淀物均匀分散于水中，加入双氧水，不断搅拌至沉淀物完全溶解；（3）待沉淀物完全溶解后，加入金属离子和非金属离子进行掺杂，得到掺杂过的过氧化钛配合物前驱体；（4）将所述过氧化钛配合物前驱体先进行降温处理，然后逐步升温并进行加热回流，制备得到复合纳米二氧化钛分散液。本发明能够解决现有技术中合成的纳米TiO2存在粒径分散不均匀、粒径大、易团聚、催化活性低问题。