本发明公开了一种二级双回路内燃机余热梯级利用热回收系统，其技术方案是：由第一工质泵、第一冷却水预热器、增压中冷蒸发器、第一汽轮机及第一冷凝器依次串接组成低温级循环；由第二工质泵、增压中冷预热器、第二冷却水预热器、排气蒸发器、第二高压汽轮机、再热器、第三低压汽轮机以及第二冷凝器依次串接组成高温级循环。将内燃机排气以及气缸冷却水作为高低两个循环系统的热源，梯级回收发动机的排气，使其具有三级有机朗肯循环的能源再输出，不但解除了单级ORC技术在内燃机余热回收上的限制，关键在于使内燃机的余热得到最充分的利用。