一种气体深冷液化系统，换热单元包括依次串接的一级换热器E1、二级换热器E2和三级换热器E3，其中一级换热器E1的输入端与压缩单元连接，三级换热器E3的输出端与膨胀液化单元的输入端连接，膨胀液化单元的输出端与气液分离单元连接；三级换热器E3的冷媒输入端与气液分离单元的气体输出端连接，该三级换热器E3的冷媒输出端与一级换热器E1的第一冷媒输入端连接，该一级换热器E1的第一冷媒输出端与所述压缩单元连接；二级换热器E2的冷媒输入端与气液分离单元的成品输出端连接，或者与一级换热器E1的输出端连接，该二级换热器E2的冷媒输出端与压缩单元连接。本发明整个工艺更简单实用，易于橇块化，无制冷机耗能以及常规冷媒等的污染。