复叠式制冷循环由若干个在不同温度下操作的制冷循环重叠组成。在其高、中、低温部分分别使用高、中、低制冷剂。对于天然气液化，现多采用由丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的三级复叠式制冷循环，提供天然气液化所需的冷量，他们的制冷温度分别为-45℃、-100℃及-160℃。
净化后的原料天然气在3个制冷循环的冷却器中逐渐地别冷却、冷凝液化并过冷，最后用低温泵送入储槽。该循环的优点是冷热介质的平均温差较大，换热器面积小，且制冷循环在天然气液化系统各自独立，相互影响少，操作稳定，适应性强，技术成熟，设计计算简单。缺点是流程复杂，机组多，至少要有3台压缩机，要有生产和储存各种制冷剂的设备，各制冷循环系统不允许相互渗漏，管线及控制系统复杂，管理维修不方便，对制冷剂的纯度要求严格。目前主要使用于处理规模大、连续生产的基地型工厂。
