又稱多級靜電加速器。其中最基本的為兩級串列加速器。兩級以上如三級和四級串列加速器，不過是由兩臺兩級串列加速器（或由一臺兩級串列加速器和一臺單級靜電加速器）組合而成的加速系統。兩級串列加速器裝設有兩根加速管，公用一個高壓電極，帶電粒子從加速器地端註入一根加速管被加速一次，進到高壓電極內，通過電荷轉換裝置（對負粒子束採用電子剝離器）粒子帶電極性改變，然後進入第二根加速管再次被加速。從而在同一個電極電壓下，粒子兩次得到加速，大大提高瞭粒子的能量。
這種提高靜電加速能量的方法，早在 20世紀 30年代就已提出，直到負離子源和原子的剝離技術取得成功之後，才於1958年建成瞭世界上第一臺加速質子能量為13.4兆電子伏的串列加速器。由於這種加速器保持瞭靜電加速器的原有特點，又提高瞭能量，離子源裝在加速器地電勢處，調節、更換零件都方便，又便於加速多種粒子，所以發展得很快，60年代達到瞭它的全盛時期。到1986年時，運行中的串列加速器端電壓達5兆伏以上的約有70臺。端電壓50兆伏的串列加速器也在研制中。
兩級串列加速器的工作原理由圖1說明，從負離子源產生負離子束，經過預加速（一般幾百千伏）、分析磁鐵註入串列加速器的一根加速管，由於加速器的高壓電極為正高壓，對負離子產生吸引力，粒子朝高壓電極方向被加速一次。當負離子進到高壓電極內部時，經過電荷剝離器轉變為帶有N個電荷單位的正離子（N一般稱粒子的電荷態）。而後，正離子進入第二根加速管中，又受到正高壓的排斥力，第二次被加速，經過兩次加速，粒子獲得的總能量為
E＝(N＋1)eV，
式中E代表粒子的能量，e為電子的電荷，V為加速器端電壓。對於質子N＝1，則粒子能量正好對串列加速器端電壓的二倍，也就是說質子能量為相同的端電壓的單級靜電加速器的二倍。
圖2a是由一臺正高壓的兩級串列加速器和一臺負高壓的單級靜電加速器組成的三級串列加速器。負離子源裝在單級靜電加速器的高壓電極內，負離子在單級靜電加速器內被加速一次，再註入兩級串列加速器，完成後兩次加速。
圖2b是由一臺正高壓的兩級串列加速器和一臺負高壓的兩級串列加速器組成的三級串列加速器，這種方式下離子源可放在加速器外邊，處在地電勢，采用正離子源，由正離子源產生的正離子束，要通過電荷中和管道變成中性束，註入負高電壓電極的兩級串列加速器，在第一根加速管不加速。當粒子到達高壓電極內部時，通過添加電子孔道，中性束變成負離子束，在第二根加速管中完成第一次加速，後兩次加速由一臺正高壓電極的兩級串列加速器來完成，過程與上面相同。
從機械結構來看，串列加速器有水平式和直立式兩種。隨著端電壓不斷升高，加速結構越來越長。對水平式的加速器來說，高壓電極和加速管的水平支撐越來越困難；而直立式的加速器的廠房建築也越來越高。為此發展瞭一種直立折疊式的結構。如美國橡樹嶺國傢實驗室的端電壓25兆伏的加速器。它的結構像一個倒置的字母U。從下面註入的離子經一次加速在高壓電極內被一個大的偏轉磁鐵偏置180°後，進入另一根加速管第二次加速。
為瞭進一步提高粒子的能量，串列加速器常作為註入器，同其他類型的加速器，如扇形聚焦回旋加速器或分離扇回旋加速器串連起來聯合運行。
就串列加速器本身的發展來說，人們還在為創造新的端電壓記錄而努力。諸如設計新型的加速管和輸電系統，研究和改善介質的絕緣性能，改進工藝等等以提高耐高電場的強度。