本发明涉及海水淡化领域，特别是一种冷冻融化交替运行的多级海水冷冻淡化系统。包括数级待处理海水循环管路、冷却浓海水储存罐和淡水储存罐，数级待处理海水循环管路之间串联连接，且相邻两海水管路之间通过淡水储存罐连接，各级待处理海水循环管路分别与冷却浓海水储存罐连接。采用了多级串联的待处理海水循环管路，通过对海水反复冷冻结晶、冲洗融化获得较低盐度的淡海水，实现海水浓度的连续降低，增强了海水的淡化效果，充分利用了电制冷板工作过程中所产生的冷量，节约了海水淡化成本，实现了能量的梯级高效利用。