一級壓縮轉子和二級壓縮轉子組合在一個機殼內，並分別通過斜齒輪直接傳動。自然空氣通過空氣過濾器進入第一級壓縮，在壓縮腔與少量潤滑油混合，同時將混合氣體壓縮到級間壓力。壓縮後的氣體進入冷卻通道，與大量油霧接觸，從而大大降低了溫度。降溫後的壓縮氣體進入第二級轉子，進入二級壓縮，被壓縮到終排氣壓力。後通過排氣法蘭排出壓縮機，完成壓縮過程。
因為在溫度高時，氣體的密度低，壓縮需要用的功就越多，因此空壓機在壓縮過程中等溫壓縮是省功的。不僅如此，等溫壓縮不但可以減少消耗的功，還能降低壓縮後氣體的溫度，使空壓機的運行更為可靠。但是等溫壓縮在實際工作中是不可能實現的，而通過分級壓縮加中間冷卻是降低排氣溫度的有效方法。
兩對轉子同時做工，打氣速度快，產氣量大，這是單級壓縮無可替代的優勢。而且由於兩級壓縮，每級的壓縮比較單級壓縮要小很多，轉子和軸承受到的壓縮小，再加上轉子的直徑大、轉速