先介绍
子列的概念：在数列{xn}中任意抽取无限多项并保持这些项在原数列中的先后次序，这样得到的一个数列称为原数列的子列。
根据极限的性质，数列有界是收敛的必要条件，即如果数列收敛，那它一定有界，但反之不一定成立。可是致密性定理却告诉我们，只要一个数列有界，那么它一定会有收敛的子数列。
由于子列收敛，设收敛到常数A，根据极限的几何意义，在A的ε邻域内总有子列的无数个点。而ε是任意正数，这就意味着在A的任何邻域内都有子列的无数个点。所以从点集的角度来描述该定理，则是：有界点集至少有一个
聚点（即
聚点定理）。
致密性定理体现了实数的连续性，与其他体现实数连续性的命题等价。特别地，聚点定理可以看做致密性定理在点集拓扑论中的体现，或者说致密性定理是聚点定理在实数理论中的体现，所以有的书上把这两个定理等同来看待。
设数列{xn}有界，即存在M>0，|xn|≤M。若{xn}中有无穷多项相等，取这无穷多项构成{xn}的一个子列，则该子列为一常数列，而
常数列总是收敛的。
若{xn}中只有有限项相等，定义数集A，A中任一元素c满足：在区间(-∞,c]上最多只有{xn}的有限项（注意用词“最多”，这意味着(-∞,c]上可以有{xn}的0项），而区间(c,+∞)上有{xn}的无穷多项。并把A在R中的补集记为B。显然：
③对任意p∈A，q∈B，都有p
根据戴德金定理，存在唯一实数ξ，要么它是A中的最大值，要么它是B中的最小值。
取任意ε>0，有ξ-ε∈A，ξ+ε∈B，因此区间(ξ-ε,ξ+ε)有{xn}的无穷多项。这是因为假设(ξ-ε,ξ+ε)只有{xn}的有限项，则根据数集A的构造，在(-∞,ξ-ε]上只有{xn}的有限项，而数列中等于ξ+ε的项最多也只有有限个，于是(-∞,ξ-ε]∪(ξ-ε,ξ+ε)∪{ξ+ε}=(-∞,ξ+ε]上只有{xn}的有限项。所以ξ+ε∈A，矛盾。
由于(-∞,ξ-ε]上只有{xn}的有限项，当ε逐渐减小时，(ξ-ε,ξ+ε)之外的项将逐渐增多。要使(ξ-ε,ξ+ε)仍有{xn}的无穷多项，则n需要足够大，即n越大越可能留在(ξ-ε,ξ+ε)之内，n越小越可能落在(ξ-ε,ξ+ε)之外。
于是，取，则存在正整数，使，即
取，则存在正整数，使，即
……
取，则存在正整数，使
于是就得到数列{xn}的子列，当时，由夹逼定理得，即
这就证明了致密性定理。