兩級壓縮制冷循環中，制冷劑的壓縮過程分兩個階段進行，即將來自蒸發器的低壓制冷劑蒸氣(壓力為p0 )先進入低壓壓縮機，在其中壓縮到中間壓力pm ，經過中間冷卻后再進入高壓壓縮機，將其壓縮到冷凝壓力pk ，排入冷凝器中。從理論上講，單機壓縮噴油和雙級壓縮空壓機在某一理論壓力上有分割點，兩者在自己的壓力范圍內都各有優勢。這樣，可使各級壓力比適中，由于經過中間冷卻，又可使壓縮機的耗功減少，可靠性、經濟性均有所提高。

當蒸發溫度較低時，采用雙級壓縮制冷循環可達到以下目的：降低壓力比，避免和減少高壓力比帶來的損失；如降低壓縮機的排氣溫度，提高實際輸氣量，制冷機運行的平衡性提高等。