本发明涉及医疗器械中的生物反应器技术领域，更具体地，涉及一种双层循环系统的灌注式生物反应器及其应用方法。一种双层循环系统的灌注式生物反应器，其中，包括培养罐、设于培养罐外部的外层循环系统、设于培养罐内部的内层循环系统和气体加注系统；解决细胞在培养过程中对培养液循环流动的矛盾需求问题，并能有效提高培养液中氧的溶解度及其分布的均匀度，有利于培养液中废气的排出，并能有效消除气泡进入细胞培养区域。