在设计、选择、使用空压机的时候，当要求工作压力较高压缩空气时，或者要求产出同样的压缩空气时，要求功率消耗低的情况下，采用单级压缩不仅不经济，有时甚至是不可能实现的，所以有越来越多的空压机生产厂家开始制造多级压缩空气压缩机。多级压缩空气压缩机就是设计、制造多级压缩腔，将气体从吸入开始，中间经过几次升压而达到所需要的目的要求。
1、节省功率消耗
空压机（压缩机）采用多级压缩过程，可以通过在级间加装中间冷却器的方法，使被压缩空气在经过一级压缩后，先进行等压冷却，以降低温度，然后再进入下一级压缩腔。温度降低、密度增大，这样易于进一步压缩，较之一次压缩可以大大节省耗功量。因此在相同的压力下多级压缩做功就比单级压缩要少，因而在相同的排气流量下，功率消耗就越少。一般来讲，级数越多，消耗功率就越少，越接近于等温压缩。
注意：喷油螺杆空压机的空压机已经非常接近等温压缩过程。如到达饱和状态后继续压缩继续冷却的话，将有冷凝水析出。这些冷凝水如果与压缩空气一起进入油气分离器（油箱）内，会使润滑油乳化，影响润滑效果。随着冷凝水的不断增加，将会污染压缩空气可能，对系统造成严重后果。
因此，为了防止冷凝水的产生，压缩腔内的温度不能过低，须大于冷凝温度。如排气压力为11bar（A）的空压机，冷凝温度为68℃，当压缩腔内温度低于68℃时，将有冷凝水析出。因此喷油螺杆空压机的排气温度不能过低，即等温压缩的应用在喷油螺杆机中由于冷凝水的问题受到了限制。
2、提高容积利用率
由于制造、安装以及运行等各方面的原因，压缩腔内的余隙容积总是不可避免的，而余隙容积不仅直接减小了压缩腔的有效容积，而且其中所残留的高压气体还须膨胀至吸气压力，压缩腔才能开始吸入新鲜气体，这样就等于进一步减小了压缩腔的有效容积。
不难理解，如果压力比愈大，则余隙容积内残留气体膨胀愈剧，压缩腔有效容积则愈小。在极限情况下，甚至能够出现余隙容积内的气体在压缩腔内完全膨胀后，压力仍不低于吸气压力，这时就无法继续吸、排气，气缸的有效容积就变成了零。如果采用多级压缩，则每一级的压缩比很小，余隙容积内残留气体稍微膨胀即可达到吸气压力，这样自然就可以使压缩腔有效容积增大，从而提高压缩腔容积的利用率。
3、降低排气温度
空压机（压缩机）的排出气体的温度是随压缩比的增加而升高的，压缩比越高排气温度就越高，但是过高的排气温度往往是不允许的。这是由于：在油润滑的空压机（压缩机）中，润滑油温度搞了会降低粘度，加剧磨损，当温度升高过高时容易在压缩腔内及阀门上形成积碳，加剧磨损，有事甚至发生爆炸。基于各种原因，大大限制了排气温度，所以须采用多级压缩降低排气温度。
注意：分级压缩可以降低螺杆空压机的排气温度，同时也可使空压机的热力过程尽可能地向定温压缩靠近，以达到节能效果，但并不是一定的。尤其对于排气压力13bar以下的喷油螺杆空压机而言，由于其在压缩过程中喷入了低温的冷却油，压缩过程已经接近了定温过程，没必要再进行二级压缩。如在此喷油冷却的基础上再进行分级压缩，使结构复杂，制造成本提高，还增加了气体的流动阻力和额外的功耗，有点得不偿失。此外，如温度过低，在压缩过程中形成冷凝水的话将导致系统状态恶化，造成严重后果。
4、降低活塞杆上的气体压力
常见的活塞空压机当压缩比比较高而采用单级压缩时，气缸需要有较大的直径。如果采用多级压缩就能大大降低作用于活塞上的气体力，因而有可能使得机构轻巧，机械效率提高。
当然，多级压缩也不是级数越多越好。因为级数越多，空压机（压缩机）结构趋于复杂，尺寸、重量和造价都要增加；气体通道增加，气阀及管理的压力损失增加等，所以有时级数越多反而时经济性下降，级数多了运动机件增加，空压机发生故障的机会也会增加。由于摩擦增加，机械效率也将有所降低
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