本实用新型公开了一种二氧化碳空压机回油系统，其包括空压机和油分离器，所述空压机包括用于将接收到的待压缩的二氧化碳进行压缩处理的空压单元，以及用于向所述空压单元提供润滑油的润滑单元，所述油分离器与所述空压机管路连通，其用于接收所述空压单元压缩处理后的二氧化碳气体并对二氧化碳气体中混入的润滑油进行分离，所述空压机还包括油位平衡器。本实用新型提供的二氧化碳空压机回油系统可以有效地回收并循环使用空压机中被高压二氧化碳气体带出的润滑油，稳定空压机内的润滑油量，防止空压机内的润滑油过少造成空压机内部零件干磨损。并且该二氧化碳空压机回油系统结构简单，操作控制简便，能够使空压系统可靠的持续运行。