本发明公开了一种放电等离子体重油加氢多级处理装置，由多个等离子体反应腔体串联组成，腔体两端连接带孔绝缘板与其他腔体连通，腔体外覆盖低压电极并接地，腔体内插入高压电极并接高压电源，腔体内填充加氢催化剂，腔体外设加热和温控装置、配气及流量控制装置、气液产物收集及循环处理装置和阀控装置。本发明还提供了一种放电等离子体重油加氢多级处理工艺，重油和富氢气体预热混合后注入第一反应腔体发生加氢反应，气态产物排出反应腔体冷凝收集，液态产物与富氢气体预热混合后注入第二反应腔体，以此类推形成逐级分布加氢处理。本发明的有益效果：针对不同重油馏分，有效调控重油加氢处理流程，避免单一反应条件下加氢效率低的缺点。