當要求氣體的工作壓力較高時，采用單級壓縮不僅不經濟，有時甚至是不可能實現的，必須采用多級壓縮。多級壓縮就是將氣體從吸入開始，經過幾次升壓而達到所需要的工作壓力。
1.節省功率消耗
采用多級壓縮，可以通過在級間設置中間冷卻器的方法，使被壓縮氣體在經過一級壓縮后，先進行等壓冷卻，以降低溫度，再進入下一級氣缸。溫度降低、密度增大，這樣易于進一步壓縮，較之一次壓縮可以大大節省耗功量。因此在相同的壓力下多級壓縮做功的面積就比單級壓縮要少。級數越多省的功耗就越多越接近于等溫壓縮。
注意：噴油螺桿空壓機的空壓機已經非常接近定溫過程。如到達飽和狀態后繼續壓縮繼續冷卻的話，將有冷凝水析出。這些冷凝水如果與壓縮空氣一起進入油氣分離器（油箱）內，會使冷卻油乳化，影響潤滑效果。隨著冷凝水的不斷增加，油位也會不斷上升，最后冷卻油將會隨同壓縮空氣進入系統，污染壓縮空氣，對系統造成嚴重后果。
因此，為了防止冷凝水的產生，壓縮腔內的溫度不能過低，必須大于冷凝溫度。如排氣壓力為11bar（A）的空壓機，冷凝溫度為68℃，當壓縮腔內溫度低于68℃時，將有冷凝水析出。因此噴油螺桿空壓機的排氣溫度不能過低，即等溫壓縮的應用在噴油螺桿機中由于冷凝水的問題受到了限制。
2.提高容積利用率
由于制造、安裝以及運行三方面的原因，氣缸內的余隙容積總是不可避免的，而余隙容積不僅直接減小了氣缸的有效容積，而且其中所殘留的高壓氣體還必須膨脹至吸氣壓力，氣缸才能開始吸入新鮮氣體，這樣就等于進一步減小了氣缸的有效容積。
不難理解，如果壓力比愈大，則余隙容積內殘留氣體膨脹愈劇，氣缸有效容積則愈小。在極限情況下，甚至能夠出現余隙容積內的氣體在氣缸內完全膨脹后，壓力仍不低于吸氣壓力，這時就無法繼續吸、排氣，氣缸的有效容積就變成了零。如果采用多級壓縮，則每一級的壓縮比很小，余隙容積內殘留氣體稍微膨脹即可達到吸氣壓力，這樣自然就可以使氣缸有效容積增大，從而提高氣缸容積的利用率。
3.降低排氣溫度
壓縮機的排除氣體的溫度是隨壓縮比的增加而升高的，壓縮比越高排氣溫度就越高，但是過高的排氣溫度往往是不允許的。這是由于：在油潤滑的壓縮機中，潤滑油溫度搞了會降低粘度，加劇磨損，當溫度升高過高時容易在缸內及閥門上形成積碳，加劇磨損，有事甚至發生爆炸?；诟鞣N原因，大大限制了排氣溫度，所以必須采用多級壓縮降低排氣溫度。
注意：分級壓縮可以降低螺桿空壓機的排氣溫度，同時也可使空壓機的熱力過程盡可能地向定溫壓縮靠近，以達到節能效果，但并不是絕對的。尤其對于排氣壓力13bar以下的噴油螺桿空壓機而言，由于其在壓縮過程中噴入了低溫的冷卻油，壓縮過程已經接近了定溫過程，沒必要再進行二級壓縮。如在此噴油冷卻的基礎上再進行分級壓縮，使結構復雜，制造成本提高，還增加了氣體的流動阻力和額外的功耗，有點得不償失。此外，如溫度過低，在壓縮過程中形成冷凝水的話將導致系統狀態惡化，造成嚴重后果。
4.降低作用在活塞桿上的氣體力
活塞壓縮機上，當壓縮比較高而采用單級壓縮時，氣缸直徑較大，就有較高的氣體終壓作用在較大活塞面積上，活塞上的氣體里就較大。如果采用多級壓縮就能大大降低作用于活塞上的氣體力因而有可能使得機構輕巧，機械效率提高。
當然，多級壓縮也不是級數越多越好。因為級數越多，壓縮機結構趨于復雜，尺寸、重量和造價都要增加；氣體通道增加，氣閥及管理的壓力損失增加等，所以有時級數越多反而時經濟性下降，級數多了運動機件增加，發生故障的機會也會增加。由于摩擦增加，機械效率也將有所降低。