其實二級壓縮就是把一級壓縮轉子和二級壓縮轉子組合在一個機殼內，并分別通過斜齒輪直接傳動。自然空氣通過空氣過濾器進入第一級壓縮，在壓縮腔與少量潤滑油混合，同時將混合氣體壓縮到級間壓力。壓縮后的氣體進入冷卻通道，與大量油霧接觸，從而大大降低了溫度。降溫后的壓縮氣體進入第二級轉子，進行二次壓縮，被壓縮到最終排氣壓力。最后通過排氣法蘭排出壓縮機，完成整個壓縮過程。

根據工程熱力學理論，空壓機在壓縮過程中等溫壓縮最省功。（溫度高的時候氣體的密度越低，壓縮需要用的功就多）。不僅如此，等溫壓縮不但可以減少消耗的功，還能降低壓縮后氣體的溫度，使空壓機材料的使用更為寬廣和經濟，使空壓機的運行更為可靠。但是等溫壓縮，就要使氣體熱量隨時與外界交換，氣體溫度與外界相等，在實際工作中是不可能實現的。而通過分級壓縮加中間冷卻是降低排氣溫度的有效方法。

另外，兩對轉子同時做功，打氣速度快，出氣量大，這點是單級無可替代的優勢。而且由于雙級壓縮，每級的壓縮比較單極壓縮要小很多，轉子和軸承受到的壓力小，再加上轉子直徑大、轉速低，所以運行更可靠。

同等功率的電機做工產生的出氣量來說，雙級普遍比單級高13%-15%，相當于90KW的一臺雙級壓縮空壓機同等能耗下能產出一臺110K單級壓縮空壓機的氣量。