復層式恒溫恒濕試驗箱一般具備雙層或三層結構，各層為獨立試驗空間。以常見三層結構為例，箱體整體框架采用高強度鋼材打造，確保穩固性。內外箱體間填充聚氨酯泡沫、玻璃纖維棉等高效保溫材料，極大降低層與層之間及箱體與外界的熱量交換，這從根本上為各層溫濕度的穩定提供了保障。內箱體通常選用如 SUS304 或 SUS316 等不銹鋼材質，因其出色的耐腐蝕性，能適應高濕、高低溫等嚴苛環境，且表面光潔，便于清潔維護，防止污染物影響試驗結果，進一步維持溫濕度環境的純凈穩定；外箱體多為冷軋鋼板經靜電噴涂處理，美觀且防銹。

各層均配備獨立加熱裝置，常用鎳鉻合金加熱絲。這種材料電阻率高、抗氧化性佳，可快速將電能轉化為熱能。當層內溫度低于設定值，控制器接收高精度溫度傳感器（如精度可達 ±0.1℃的鉑電阻溫度傳感器）反饋信號后，迅速增大流經加熱絲的電流，提升加熱功率，促使溫度快速上升。制冷系統多采用壓縮機制冷循環，以渦旋式壓縮機為例，通過精準控制壓縮機啟停時間、制冷量，結合溫度傳感器實時反饋，可將每層溫度控制精度穩定在 ±0.5℃以內。不同層可根據測試需求，獨立設定并維持特定溫度，杜絕了層與層之間的溫度干擾。

在濕度調控方面，每層也都有獨立的系統。蒸汽加濕系統通過電加熱使水箱中的水迅速轉化為蒸汽，蒸汽經管道均勻輸送至箱內提升濕度，當層內濕度低于設定值下限，控制器開啟加濕裝置，精確控制蒸汽產生量，實現濕度穩定上升。冷凝除濕是主要的除濕手段，制冷系統工作使蒸發器表面溫度降低，箱內空氣中水汽遇冷在蒸發器表面凝結成水滴，通過排水管道排出箱外，從而降低濕度。濕度傳感器實時監測，配合智能控制系統，各層濕度控制精度可達 ±2% RH ，無論是高濕還是低濕環境都能精準維持。