本发明提供了一种双过冷器串联膨胀机耦合跨临界CO2双温区系统及应用，其中，双过冷器串联膨胀机耦合跨临界CO2双温区系统包括CO2低温级蒸发器、冷凝器、引射器和CO2中温级蒸发器；所述CO2低温级蒸发器的出口、CO2中温级蒸发器的出口均依次连通CO2高压级压缩机、CO2气体冷却器的热媒侧、中温级冷却蒸发器的热媒侧、中温级蒸发器的热媒侧；中温级蒸发器的热媒侧的出口与CO2低温级膨胀机的进口、CO2中温级膨胀机的进口连通；CO2低温级膨胀机的出口连通CO2低温级蒸发器的进口。本发明所述的双过冷器串联膨胀机耦合跨临界CO2双温区系统，实现CO2连续两次梯级过冷，能够显著提高系统整体能效。