复叠式制冷循环是将较大的总温差分割成两段或若干段，根据每段的温区选择适宜的制冷剂循环，然后将它们叠加起来，用高温级的制冷量来承担低温级的冷凝负荷，从而获取较低制冷温度的方式。复叠式制冷属于蒸汽压缩式制冷的一种特殊形式，通常由两到三个工作温区不同的独立蒸汽压缩式制冷循环组成，以两级复叠式制冷循环为例，它由高温级和低温级两部分组成，高温级中使用中温制冷剂，低温级中使用低温制冷剂，形成两个单级压缩制冷系统复叠工作的循环。两级系统之间采用冷凝蒸发器衔接起来，高温级的中温制冷剂在其中蒸发制冷，使低温制冷剂在其中放热，与蒸发的中温制冷剂进行热交换后被冷凝成液体。从冷凝蒸发器出来的中温制冷剂蒸气带走低温制冷剂的冷凝热量，经过高温级制冷循环将热量传递给环境介质。而从冷凝蒸发器出来的低温制冷剂液体，经低温级节流阀降压后，进入蒸发器吸取被冷却物的热量而蒸发制冷，获取所需要的低温。
一般情况下，两级复叠式制冷循环的有效工作范围在-80 ℃以上，为获取更低的温度，需要用三级复叠式制冷循环，蒸发温度可达-140 ℃。三级以上的复叠式制冷循环由于工作效率低下和经济型较差等原因在工业应用中一般不采用。
复叠式循环制冷的优点在于通过常规的蒸气压缩式制冷循环，在正常工作压力范围和压比的前提下能实现低至-140 ℃的制冷温度，在保证工作效率的同时极大地拓宽了常规系统的制冷温区。
复叠式循环制冷由于增加了制冷循环数量，从而导致系统部件呈倍数增加，增加生产成本的同时使得制冷系统更加复杂，这也导致了复叠式系统启动时需按顺序依次进行，一般高温级制冷循环先启动，待低温级压力降低到阈值压力以下时再开启低温级制冷循环。此外，系统复杂程度的提高也使得运行维护更加繁琐，系统运行稳定性下降。
