本发明提供一种二级恒温控制半导体激光器，它包括半导体激光器、用于控制所述半导体激光器温度的一级恒温控制电路、恒温控制腔和二级恒温控制装置；所述恒温控制腔由保温腔体和设置在所述保温腔体腔口的导热块构成，所述二级恒温控制装置包括二级恒温控制电路、温度传感器TS和热电制冷片TEC；所述半导体激光器、所述一级恒温控制电路和所述温度传感器TS均设置在所述恒温控制腔内，所述热电制冷片TEC一侧设置在所述导热块外侧，所述二级恒温控制电路分别连接所述温度传感器TS和所述热电制冷片TEC。本发明具有体积小、功耗低、温度适用范围广、性能可靠、使用方便的优点。