Tek bir soğutma devresiyle çok düşük sıcaklığa inmek zordur: sıkıştırma oranı büyür, basma sıcaklığı yükselir, emiş basıncı vakuma düşer. Kaskad sistemde iş ikiye bölünür. Alçak sıcaklık devresi odayı ya da ürünü soğutur ve ısısını dış havaya değil, kaskad ısı değiştiricisine atar. Bu ısı değiştirici aynı zamanda yüksek sıcaklık devresinin evaporatörüdür; ısıyı alır ve kendi kondenserinden dışarı atar. İki devrenin akışkanı birbirine karışmaz.
Her devreye, kendi sıcaklık aralığında en iyi çalışan akışkan seçilir. Endüstriyel soğutmada en yaygın çift, alçak tarafta CO₂ (R744), yüksek tarafta amonyak (R717) ya da propandır (R290); −30 ile −50 °C arası dondurma ve donmuş muhafaza tesislerinde kullanılır. Laboratuvar dolapları ve −60 ile −80 °C arası özel uygulamalarda alçak tarafta R23, R170 (etan) ya da R508B gibi akışkanlar yer alır.
Kaskad ısı değiştiricide iki akışkan arasında 3–6 K sıcaklık farkı bırakılır; alçak devre −10 °C’de yoğuşuyorsa yüksek devre −15 °C dolayında buharlaşır. Bu fark sistemin verimini doğrudan etkiler: küçüldükçe verim artar, ısı değiştirici büyür. CO₂’li kaskadın çekici yanı, amonyağın yalnızca makine dairesinde kalması, gıdanın bulunduğu alanlara yalnızca CO₂ gitmesi ve CO₂ borularının küçük çaplı olmasıdır. Isı değiştirici olarak plakalı ya da gövde borulu tipler kullanılır.
İşletmede sıra önemlidir: önce yüksek devre çalışır, sonra alçak devre. Yüksek devre durursa alçak devrenin yoğuşacak yeri kalmaz ve basıncı hızla yükselir. CO₂’de durma basıncı ortam sıcaklığında 60–70 bara çıkabileceğinden, uzun duruşlar için küçük bir yardımcı soğutma grubu, yüksek basınca dayanıklı kap ya da emniyet valfinden kontrollü tahliye öngörülür. Tasarım proje bazında yapılır. İki devrenin kontrolü birbirine kilitlenir; biri arızaya geçtiğinde öbürü buna göre davranır.