Jednym z typów sprężarek tłokowych są sprężarki tłokowe wielostopniowe. Charakteryzują się tym, że miedzy poszczególnymi stopniami zastosowane są chłodnice działające tak, by czynnik chłodzony był do temperatury początkowej i dopiero wtedy by kierował się do kolejnego cylindra. Takie działanie zmniejsza pracę oraz ogranicza końcową temperaturę sprężonego czynnika. Sprężarki tłokowe dwustopniowe z zastosowaniem międzystopniowego chłodzenia czynnika, gdzie gaz jest o ciśnieniu p1 i temperaturze T1 sprężają go politropowo w cylindrze I stopnia do ciśnienia p2. Jednocześnie wzrasta temperatura z T1 do T2. Gaz na tym etapie ulega ochłodzeniu w chłodnicy międzystopniowej od temperatury T2 do T1. Gaz wówczas o parametrach p2 i T1 zostaje ponownie sprężony w cylindrze II stopniowym do ciśnienia końcowego p3, gdzie jego temperatura wzrasta jednocześnie z T1 do T3. Sprężanie dwustopniowe pozwala zaoszczędzić na pracy sprężania, jednak sprężarki tłokowe wielostopniowe są dużo bardziej złożone i droższe od maszyn jednostopniowych. Im liczba stopni sprężania z chłodzeniem gazu między poszczególnymi stopniami jest większa, tym proces sprężania w maszynach wielostopniowych jest bliższy przemianie izotermicznej. Sprężarki tłokowe mogą być nawet siedmiostopniowe, umożliwiające wówczas uzyskanie sprężonego gazu o ciśnieniu nawet do 200MPa.