双液淬火法是将淬火工件自淬火温度中取出，先在快速冷却剂中冷却，使其奥氏体急速过冷至接近于马氏体转变区域，然后再在缓慢的冷却剂中冷却。一般是先水后油。

双液淬火法的优点是在奥氏体不稳定区域快冷，而在马氏体转变区域内进行慢冷。因而组织应力与热应力都比较小，故这种淬火法可适用于淬透性不大的高碳钢形状复杂的工具淬火。但使用这种淬火法也有它的缺点。首先是很难确定在第一种淬火剂中的停留时间。如果停留时间过长，产生内应力过大，失去双液淬火的意义；如果停留时间太短，就有可能在第二种冷却剂中发生向珠光体类组织的转变，因而达不到要求。有时表面虽然达到了马氏体，但中心部分温度仍高。余热过多，这样，当工件由第一种冷却剂中移入第二种冷却剂中的一瞬间，就有可能发生由内向外的加热，造成不适当的表面回火。其次是零件自第一种冷却液中取出放入第二种冷却液中的一瞬间，工件各部分温度是不均匀的，这又会造成淬火缺陷的产生。因此，采用这种方法淬火时，要求淬火工人具有足够的经验和熟练的技巧，否则很难达到预期的目的。

进行双液淬火时，通常先将零件在水中冷却到300℃，然后再将零件投入油中或空气中冷却。碳素工具钢在水中的冷却时间一般为3毫米有效厚度或直径约一秒钟，形状复杂的工件可以减少到每4-5毫米有效厚度或直径一秒钟。采用双液淬火时，淬硬层深度较单液淬火要浅一些。

对于截面大的而形状又比较简单的合金钢工件，为了增加淬硬层深度，也可采用水——油双液淬火法。合金钢工件在水中的停留时间，应以工件中心层在水中冷却到300-350℃附近为标准，约为每毫米有效厚度1.5-3秒钟，截面大的取上限，小的区下限。如果因工件尺寸太大，在水中所需要的停留时间太长，可将在水中的停留总共所需要的时间分成两段。即先在水中冷却一定时间，取出在空气中冷却一下，再继续在水中冷却。这样可以减少表面层和中心层的温度差，以避免工件的开裂。但必须注意，在空气冷却过程中，不能使中心的热量外散，而造成不恰当的表面回火，影响工件的淬火质量。