本实用新型公开了一种全新风梯级冷却屋顶式空调机组，包括空气处理段、一级制冷系统、二级制冷系统和三级制冷系统，所述空气处理段包括沿气流方向依次设置的初效过滤器、一级蒸发器、二级蒸发器、三级蒸发器、送风机；所述一级蒸发器、二级蒸发器和三级蒸发器依次串联连接，其中，一级蒸发器连接一级制冷系统，二级蒸发器连接二级制冷系统，三级蒸发器连接三级制冷系统。本实用新型采用三级梯级降温技术，实现了大焓差处理新风，保证出风低露点温度要求，适用于航空航天领域、国防工程、喷涂工艺、放射性实验室、医疗卫生领域、存放有毒有害物的仓库等对环境的温湿度和洁净度有着特殊要求的工艺领域。