復疊式制冷循環由若干個在不同溫度下操作的制冷循環重疊組成。在其高、中、低溫部分分別使用高、中、低制冷劑。對于天然氣液化，現多采用由丙烷、乙烯和甲烷為制冷劑的三級復疊式制冷循環，提供天然氣液化所需的冷量，他們的制冷溫度分別為-45℃、-100℃及-160℃。
凈化后的原料天然氣在3個制冷循環的冷卻器中逐漸地別冷卻、冷凝液化并過冷，最后用低溫泵送入儲槽。該循環的優點是冷熱介質的平均溫差較大，換熱器面積小，且制冷循環在天然氣液化系統各自獨立，相互影響少，操作穩定，適應性強，技術成熟，設計計算簡單。缺點是流程復雜，機組多，至少要有3臺壓縮機，要有生產和儲存各種制冷劑的設備，各制冷循環系統不允許相互滲漏，管線及控制系統復雜，管理維修不方便，對制冷劑的純度要求嚴格。目前主要使用于處理規模大、連續生產的基地型工廠。