本发明公开了一种带透平膨胀机构的CO2制冷活塞压缩机，包括膨胀单元和压缩单元，膨胀单元包括膨胀壳体、气体通道和做功组件，做功组件包括传动件和转动件，转动件设置于膨胀壳体内，与传动件相连接，压缩单元包括电机、连杆、活塞和气缸。本发明所述装置做功组件与电机同轴连接，通过常温的高压CO2气体在膨胀壳体中膨胀对外做功，节省电机的耗功，同时高压CO2的等熵膨胀后流体状态的干度相比于绝热节流后流体状态的干度要小，提高单位制冷量，运用本装置的系统既减少了压缩机工作过程中的电机功率又增加了系统制冷量，从而提高系统运行能效。