雙級壓縮制冷循環，是指來自蒸發器的制冷劑蒸氣要經過低壓與高壓壓縮機兩次壓縮后，才進入冷凝器，它的實質是壓縮過程分兩階段進行:蒸發壓力→中間壓力→冷凝壓力。在兩次壓縮過程中間往往設置中間冷卻器，對低壓級壓縮機的排氣進行冷卻，從而降低高壓級壓縮機的吸氣溫度。
雙級壓縮制冷循環系統可以是由兩臺單級壓縮機組成的雙機雙級系統(其中一臺為低壓級壓縮機，另一臺為高壓級壓縮機);也可以是由一臺雙級壓縮機組成的單機雙級系統，其中一個或兩個氣缸作為高壓缸，其余幾個氣缸作為低壓缸，其高、低壓氣缸輸氣量比一般為1：3或:1：2。
中間冷卻方式根據進入高壓壓縮機的狀態可以分為中間完全冷卻和中間不完全冷卻。中間完全冷卻是指將低壓級的排氣冷卻到中間壓力下的飽和蒸氣;中間不完全冷卻是指未將排氣冷卻到中間壓力下的飽和蒸氣，即進入高壓壓縮機的為中間壓力下的過熱蒸氣。采用哪一種中間冷卻方式與制冷劑的種類有關，對于采用回熱循環制冷系數提高的工質應用中間不完全冷卻循環(高壓級吸入的是過熱蒸氣)比較有利。如R502, R290;對于采用回熱循環制冷系數下降的工質采用中間完全冷卻循環(高限級吸入的是飽和蒸氣)，如N H3, R134a;R22在雙級壓縮循環中可以采用中間完全冷卻循環，也可以采用中間不完全冷卻循環，小型的兩級壓縮機組，為使系統和設備簡化起見，通常多采用中間不完全冷卻循環。
根據制冷劑液體從冷凝器到蒸發器之間經歷的節流個數可以分為一級節流和二級節流。一級節流是指供液的制冷劑液體直接由冷凝壓力節流至蒸發壓力;二級節流是指冷凝器流出的制冷劑液體先經過節流閥一級節流降壓至中間壓力，然后再由中間壓力通過另外一個節流閥二級節流降壓至蒸發壓力。采用兩級節流循環，增加單位質量制冷量，耗功相同，制冷系數提高。實際工程應用中采用兩級節流時，中間冷卻器應靠近蒸發器。因為從中間冷卻器中出來的液體是飽和液體，流動中有阻力損失，會產生閃發氣體，減小進入膨脹閥的液體員，會存在供液不足的現象。因此，一級節流應用較多。
氨雙級壓縮制冷系統一般采用一級節流中間完全冷卻的雙級壓縮，而氟利昂制冷系統常采用一級節流中間不完全冷卻的雙級壓縮。
