螢光素酶可以在實驗室中用基因工程的方法生成，并被用于多種不同的實驗。螢光素酶的基因可以被合成并插入到生物體中或轉染到細胞中。研究者利用基因工程已經使得小鼠、家蠶、馬鈴薯等一些生物可以合成螢光素酶。間接體外成像是一種強大的研究手段，可以對整個動物體中的細胞群落進行分析：將不同類型的細胞（骨髓干細胞、T細胞等）標記上（即表達）螢光素酶，就可以用高敏感度的CCD相機對動物體內進行活體觀察而不會傷害到動物本身。
在螢光素酶中加入正確的螢光素底物就可以放出熒光，而發出的光子可以被光敏感元件，如螢光探測器或改進后的光學顯微鏡探測到。這就使得對包括感染在內的多種生命活動進程進行觀察成為可能。例如，螢光素酶已經被用于商業化的次世代焦磷酸定序技術，借由dNTP接上DNA鏈時水解放出的焦磷酸，透過另外一個硫酸鹽腺甘酸轉移酶反應，螢光素酶能將產物ATP與螢光素轉化為冷光，機器借此探測光線并定序。螢光素酶也可以被用于檢測血庫中所存血液中的紅血球是否開始破裂。法醫可以用含有螢光素酶的溶液來檢測犯罪現場中殘留的血跡。醫院用螢光素酶的發光來發現特定的疾病。螢光素酶還可以作為“報告蛋白”被用于分子生物學研究中，例如，用于在轉染過螢光素酶的細胞中檢測特定啟動子的轉錄情況或用于探測細胞內的ATP的水平；這一技術被稱為報告基因檢測法或螢光素酶檢測法（Luciferase Assay）。螢光素酶是一個熱敏感蛋白，因此經常被用于研究蛋白熱變性過程中熱休克蛋白的保護能力。此外，螢光素酶水母素的發光強度與環境中鈣離子濃度相關，因此可用于檢測生物體內的鈣。