所謂多級是相對于傳統愈義上的“單級”羅茨泵而言的，即在轉子軸上串聯多級羅茨型轉子，各級轉子由中間壁來隔離，形成相對獨立的泵腔，各級泵腔之間通過上一級的進氣口和下一級的排氣口間的氣流通道相連接。各級轉子的直徑和形狀是相同的，而各級轉子的寬度有時是不同的，向高壓側方向變窄了。被抽氣體從第一級的進氣口進入泵腔，經一級壓縮后，通過氣流通道進人下一級泵腔，繼續壓縮，氣體經過如此逐級壓縮，然后從后一級的排氣日排出。簡言之，“多級”就是“多級轉子”，“多級泵腔”，“多級壓縮”。

多級羅茨泵通過多級轉子的串聯實現多個羅茨泵串聯的效果，所以多級羅茨泵并不能比單級羅茨泵擁有更大的抽速，其理論抽速是取決于第一級的理論抽速。但是這種結構卻可以使羅茨真空泵達到很高的壓縮比。因此，多級羅茨泵是可以作為主泵直排大氣，而無需再配置前級泵，這樣就可以避免前級泵環節給系統帶來的油氣污染。3~ 6 級的羅茨泵可從大氣壓抽到0壓力1Pa ，如此高的壓力差會使轉子過熱膨脹，而產生卡死現象．所以要在高壓段對轉子進行氣冷．以控制轉子的溫度不超過其允許范圍。一般的氣冷方案是使從各級的排氣口排出的氣體流經冷卻器冷卻，再返回到該級的工作腔中．利用冷卻氣體來冷卻轉子。當然．這種冷卻方法是要以損失羅茨泵的抽速為代價的．為了防止軸承和齒輪的潤滑油向泵腔內返流，多級羅茨泵的泵腔和齒輪箱之間隔開或用迷宮式結構加以密封，為了提高無油的程度，齒輪箱也有另外用真空泵排氣的情況。