La configuración de un motor con turbo secuencial consiste en el uso de un turbo para velocidades bajas y un segundo turbo para velocidades altas en las que el motor necesita apurar su rendimiento. 

Generalmente estos motores no son muy eficientes a bajas revoluciones, por lo que la presión de admisión es inferior en dichas condiciones. Sin embargo, los turbos pequeños van bien a bajas revoluciones, pero no pueden soportar la cantidad de aire que entra a altas velocidades. Durante bajas y medias velocidades solo hay un turbo relativamente pequeño funcionando (llamado turbo principal). Durante este periodo toda la energía pasa a través de ese turbo produciendo beneficios como una reducción de turbolag y dando mejores respuestas a bajas velocidades. Al aumentar las revoluciones, el segundo turbo entra parcialmente en marcha para "calentar" antes de su total entrada en escena. Una vez alcanzada una velocidad del motor y presión del turbo prestablecidas, las válvulas que controlan el compresor y la turbina del segundo turbo se abren por completo. En este punto se desactiva el primer turbo, para que no sufra por las altas cantidades de admisión de aire. A partir de ahora se aumentan los beneficios disponiendo de un turbo más grande, incluyendo una potencia mayor y sin la desventaja de un aumento del turbolag.

Los turbos secuenciales proporcionan una forma de reducir el turbolag sin comprometer la potencia del turbo. Las aplicaciones más notables de esta configuración puede verse en motores como el Toyota Supra de cuarta generación (de 1993 a 1998), el Porsche 959 de 1986 a 1988, Eunos Cosmo JC de 1990 a 1995 de Mazda, el 13B-REW del Mazda RX-7 FD3S Turbo de tercera generación de 1992 a 2002, el EJ20TT del Subaru Legacy biturbo de segunda generación de 1994 a 2005 y el 2.2 HDi del Peugeot 407. GeneralMotors pagó la patente del motor biturbo secuencial y ahora usa una nueva válvula de bypass que optimiza el flujo de escape de las turbinas de ambos turbos.1​