本发明公开一种多级混合工质制冷系统及循环方法，包括压缩机、冷凝器、第一气液分离器、第一蒸发冷凝器和第二气液分离器，所述压缩机的高压排气口与所述冷凝器的制冷剂进口相连，压缩机用于将混合制冷剂工质经压缩机压缩成为高温高压的过热制冷剂蒸气，并进入冷凝器对外释放热量而部分冷凝并形成气液两相混合制冷剂工质；所述第一气液分离器包括低压吸气口、顶部气体出口和底部液体出口，所述第一气液分离器的制冷剂进口与所述冷凝器的制冷剂出口相连，冷凝器排出的气液两相混合制冷剂工质流入第一气液分离器进行第一级闪蒸分离过程；本装置利用压缩机对混合工质的梯级压缩作用，显著降低能耗；获得更低制冷温度和更高制冷效率。