本发明公开了一种适用于富氧燃烧燃气轮机的分级供氧燃烧室及分级燃烧方法。分级供氧燃烧室分为主燃区、次燃区和掺混区。主燃区前端设置主喷嘴，用于喷入燃料、一级氧气和一级二氧化碳。次燃区前部设置次级喷嘴，用于喷入二级氧气和二级二氧化碳。掺混区设置有掺混孔，用于通入三级二氧化碳。低负荷状态下，燃料和氧气全部供应到主燃区，使燃料在主燃区为贫燃燃烧，减少CO排放；高负荷状态下，增加次燃区二级氧气供应，使燃料在主燃区为富燃燃烧，减少NOx排放。本发明具有运行负荷调节范围宽(可调比高)、CO和NOx排放低等优点。