本发明公开了一种采用增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统及其方法。本发明采用多级增压液化的方法捕集火星表面二氧化碳，其中第一级压缩机出口的原料气热量用于对入口原料气进行预热，在提升第二级压缩机压缩效率的同时，可保证风机和压缩机等设备可以正常运行；而第二级压缩机出口原料气的高品质热量用于对吸附器进行加热解吸，同时加热恒温器，维持系统所处空间的合理温度。第二级压缩机出口原料气首先经过吸附器再生管路的换热介质初步冷却，随后再利用火星大气冷能进行二次冷却，并实现二氧化碳液化，整体过程实现了原料气的梯度降温，具有较高的热力学效率和经济性。