Para poder mantener al CO2 por debajo de su temperatura crítica (31°C) el medio de enfriamiento debe de estar por debajo de esta temperatura. El circuito subcrítico básico del CO2 es un sistema en cascada que consiste en dos sistemas de refrigeración independientes que comparten un intercambiador de calor común . En un circuito subcrítico, la parte de alta presión del circuito se sitúa por debajo del punto crítico es decir el CO2 en el lado de alta presión se condensa. Las presiones del lado de alta se sitúan en el orden de los 30 bar (-5ºC). El condensador del refrigerante CO2 de baja temperatura sirve como evaporador del refrigerante de alta temperatura; este intercambiador de calor conecta térmicamente a los dos circuitos de refrigeración. Para poder mantener al CO2 en fase subcrítica el sistema de HFC o HC debe de estar funcionando en todo momento. Si este se llegara a detener no vamos a poder controlar la presión del CO2. El tamaño del sistema influye en el diseño del intercambiador de calor en cascada: en grandes sistemas de refrigeración industrial se puede usar un intercambiador de calor de tubos envolventes, un intercambiador de calor de placas, o un intercambiador de tipo placas y envolvente; mientras que en sistemas comerciales es más común usar intercambiadores de calor en cascada de placas soldadas, coaxial y de doble tubo. En las aplicaciones a baja temperatura, el CO2 líquido a alta presión se expande hasta una presión más baja y se utiliza un compresor para llevar el gas de succión de nuevo a la presión de condensación. El uso de un sistema en cascada permite reducir la carga del refrigerante de alta temperatura. Esto puede resultar importante en sistemas comerciales, para disminuir las pérdidas de refrigerante HFC.