机油也有可能应用在温度变化很大的环境下，从寒冬车辆尚未暖车的低温，一直到酷夏车辆高速运转时的高温。一般机油在低温时黏度会上升，造成低温时的流动性不佳，而当温度到达引擎运转温度时，黏度会下降，使得高温时的润滑效果不佳。一般单级机油在高温及低温时，黏度的差异太大。为了缩小高低温时黏度的差异，机油中会加入一些称为黏度指数提升剂的聚合物，这类的机油就称为多级机油，不过有些机油使用高黏度指数的基础油，不需添加黏度指数提升剂就可以达到多级机油的规格。

多级机油即黏度指数明显高于100的机油，在高温时40级的单级机油低温时黏度约在20W~25W(亦即单级机油亦可标识成20W40，不过这没有意义)，而多级机油可制成10W40或5W40等。

多级机油标明的二种黏度等级，前一个是在低温可达到的黏度指数，后一个则是在在高温可达到的黏度指数，因此这类的机油在高低温差大的环境下较为适用。多级机油的黏度仍然会随温度而变化，只是变化率较小而已。此变化率会依路基础油本身特性及所加入黏度指数提升剂的比例而不同。

SAE对于多级机油的标示包括二种黏度等级，例如10W-30是一种常用的多级机油，低温时黏度指数为10W，高温时黏度指数为30，其中的二种级数定义都依照SAE J300针对单级机油的规范。因此，10W-30的机油需同时符合SAE J300针对10W及30的黏度特性要求，同时也要符合所有和黏度等级有关的要求(例如，10W-30的机油不能通过J300对5W的要求)。若一机油未添加黏度指数提升剂即可通过多级机油的要求，此机油可以标示为多级机油，或其二种个别的单级机油中的任何一种。例如利用单级机油，不加黏度指数提升剂即可制成20W-20的多级机油，此机油可以标示为20W-20、20或20W。相反的，含有黏度指数提升剂的多级机油一定要标示为多级机油，不能标示为单级机油。

在低温时，当机油注入曲柄轴或泵浦后，其润滑能力就会开始下降。特定车辆使用机油的级数一般会由车辆制造商所订定，但在考虑气候及燃料效率等限制后，实际使用机油的规格还是会有所不同。