本发明公开了一种用于半导体激光器的两级温度控制系统，包括第一级/第二级温度控制子系统、温度显示子系统以及电源子系统。第一级温度控制子系统作用于半导体激光二极管LD；采用模拟PID的控制方式，测温元件选用负温度系数热敏电阻NTC，执行器选用半导体制冷器TEC。第二级温度控制子系统用于控制整个温控系统的温度，保持电路的工作环境温度稳定；采用数字PID和PWM控制算法，测温元件用NTC，执行器选用TEC和散热风扇。温度显示子系统用于显示两级温控各自的设定温度和实际温度。电源子系统提供电路工作所需的电源。本发明采用两次温度控制的方式，减小了元件温度漂移对控制精度的影响，提高了控制精度并可延长系统工作寿命，提高系统的长时间稳定性。