本发明公开了一种双级喷射柴油机尾气处理系统，包括尿素罐、与尿素罐连接的尿素泵和与尿素泵连接的排气管，尿素泵连接有用于将尿素分配至排气管内不同位置的分配装置，排气管包括前段管路、后段管路和连接于前段管路与后段管路之间的连接管路，分配装置包括用于将尿素分配至前段管路内的前段尿素分配装置和用于将尿素分配至后段管路内的后段尿素分配装置，前段管路内设置有用于还原氮氧化物的前氮氧化物催化载体，后段管路内设置有用于还原氮氧化物的后氮氧化物催化载体和用于分解氨气的氨气催化载体。本发明所设计的双级喷射柴油机尾气处理系统采用两级尿素喷射、两级尿素混合和两级尿素反应的方式提高氮氧化物转换效率，同时降低尿素消耗。