本发明公开一种双级自复叠制冷系统,包括有：高温级单制冷回路：其由高温级压缩机、高温级冷凝器、中间换热器和高温级气液分离器通过冷媒气液管连接形成；低温级自复叠回路：由低温级压缩机、中间换热器、多级冷凝蒸发器、多级气液分离器、回热器和蒸发器通过冷媒气液管连接形成；其中，所述高温级压缩机排出的冷媒能够和所述低温级压缩机排出的气态冷媒在所述中间换热器内进行热交换以对低温级的气态冷媒进行冷凝，使得从中间换热器流入到多级冷凝蒸发器中的冷媒的温度的保持恒定。通过本发明解决了现有技术中自复叠系统温度波动变化大、运行稳定性差的问题。