본 발명은 탄소섬유 전구체 및 유기용매를 포함하는 전구체 섬유를 제조하는 단계; 상기 전구체 섬유를 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 포함하는 코팅 용액에 함침시키는 단계; 상기 코팅 용액에 함침된 상기 전구체 섬유를 가열 연신하여 상기 금속 촉매를 코팅하는 단계; 및 상기 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 고분자 탄소섬유의 표면 상에 코팅하여 제조함에 따라, 형태학적으로 균일하고 우수한 기계적 물성 및 전기화학적 특성을 나타내는 탄소섬유를 제조할 수 있다.