本发明公开了一种多通道超导单光子探测器的三级预冷低温恒温器，包括真空罩、GM制冷机二级气缸、GM制冷机一级气缸、GM制冷机冷头、一级预冷结构、二级预冷结构、三级预冷结构、低温射频同轴线、用于放置超导单光子探测器的样品台；一级预冷结构、二级预冷结构和三级预冷结构从下至上依次设置在真空罩内部；本发明通过三级预冷的方式，使样品台温度不受射频同轴线数量增加而升高，确保样品台的温度稳定在探测器的工作温度，使探测器能够持续稳定的工作在最佳状态。