由于自由電子激光器具有許多一般激光器望塵莫及的優點, 所以自由電子激光器問世后不久,科學家們就開始著手于研究它的應用問題.自由電子激光特別適宜于研究光與原子、分子和凝固態物質的相互作用, 這類研究涉及到固體表面物理、半導體物理、超導體、凝聚態物理、化學、光譜學、非線性光學、生物學、醫學、材料、能源、通信、國防和技術科學等多個方面.原子核工程是自由電子激光器應用最有前途的領域之一, 自由電子激光器在此應用上的最大優點是高功率、寬可調光譜范圍, 以及準連續運轉特點.因此, 可應用于物質提純、受控核聚變、鈾、釓、硼、鍶和鈦等元素的同位素分離和等離子體加熱等.
自由電子激光器的高效率、短脈沖及波長可調的優點, 在工業上也有廣闊的應用前景.例如在半導體工藝中的薄膜沉積、平板印刷術、蝕刻、摻雜質等, 自由電子激光器特別適合大批量材料處理, 因為它的波長可調諧, 器件又可放大到能輸出高平均功率.用于材料處理時, 要求功率為1 ～5KW, 波長為8 ～ 20μm的自由電子激光器.自由電子激光器還可進行各種化學分析與測量, 可以生產高純硅晶體、滿足計算機生產的需要.集成電路裝配, 包括量子處理和光刻可更多地借助短波自由電子激光器.另外, 自由電子激光器還用在激光加工、光CVD等方面的材料, 制作X射線激光器、激光加速器等.
自由電子激光器還用在原子、分子的基礎研究上, 光化學可依賴工作在紫外到遠紫外區的自由電子激光器.自由電子激光的可調諧性和超短脈沖特性, 使得探索化學反應過程、生化過程的動態過程成為可能.這對研究物質的結構和性能對生成新物質的研究, 將會產生革命性的變革和新的進展.
醫學也是自由電子激光器應用最豐富的領域, 而目前當務之急是研制緊湊、實用的小型自由電子激光器, 其主要目的是把價格降到大醫院能買得起的水平.對醫學研究和治療而言, 這種激光器可在1 ～ 10μm波段可調, 輸出功率不超過幾百瓦, 此種應用一般要求有幾瓦平均功率.更可觀的是自由電子激光器可以為空間站輸送能量, 以降低空間站對太陽能電池的依賴性.用于向衛星傳輸功率時, 要求功率為100KW ～ 1MW,波長為0.86μm的自由電子激光器.在軍事上, 自由電子激光器可以成為強激光武器, 是反洲際導彈的激光武器的主要潛在手段之一.自由電子激光器功率雖然強大, 但由于其體積龐大, 因此目前只適宜安裝在地面上, 供陸基激光器使用.在毫米波段, 自由電子激光器是唯一有效的強相干信號源, 在毫米波激光雷達、反隱形軍事目標和激光致盲等研究中具有不可替代的重要應用價值.