由于自由电子激光器具有许多一般激光器望尘莫及的优点， 所以自由电子激光器问世后不久，科学家们就开始着手于研究它的应用问题。

　　自由电子激光特别适宜于研究光与原子、分子和凝固态物质的相互作用， 这类研究涉及到固体表面物理、半导体物理、超导体、凝聚态物理、化学、光谱学、非线性光学、生物学、医学、材料、能源、通信、国防和技术科学等多个方面。

　　原子核工程是自由电子激光器应用最有前途的领域之一， 自由电子激光器在此应用上的最大优点是高功率、宽可调光谱范围， 以及准连续运转特点。因此， 可应用于物质提纯、受控核聚变、铀、钆、硼、锶和钛等元素的同位素分离和等离子体加热等。

　　自由电子激光器的高效率、短脉冲及波长可调的优点， 在工业上也有广阔的应用前景。例如在半导体工艺中的薄膜沉积、平板印刷术、蚀刻、掺杂质等， 自由电子激光器特别适合大批量材料处理， 因为它的波长可调谐， 器件又可放大到能输出高平均功率。用于材料处理时， 要求功率为1 ~5KW， 波长为8~ 20μm的自由电子激光器。自由电子激光器还可进行各种化学分析与测量， 可以生产高纯硅晶体、满足计算机生产的需要。集成电路装配， 包括量子处理和光刻可更多地借助短波自由电子激光器。另外， 自由电子激光器还用在激光加工、光CVD等方面的材料， 制作X 射线激光器、激光加速器等。

自由电子激光器还用在原子、分子的基础研究上， 光化学可依赖工作在紫外到远紫外区的自由电子激光器。自由电子激光的可调谐性和超短脉冲特性， 使得探索化学反应过程、生化过程的动态过程成为可能。这对研究物质的结构和性能对生成新物质的研究， 将会产生革命性的变革和新的进展。

　　医学也是自由电子激光器应用最丰富的领域， 而目前当务之急是研制紧凑、实用的小型自由电子激光器， 其主要目的是把价格降到大医院能买得起的水平。对医学研究和治疗而言， 这种激光器可在1~ 10μm 波段可调， 输出功率不超过几百瓦， 此种应用一般要求有几瓦平均功率。

　　更可观的是自由电子激光器可以为空间站输送能量， 以降低空间站对太阳能电池的依赖性。用于向卫星传输功率时， 要求功率为100KW ~ 1MW，波长为0.86μm的自由电子激光器。

　　在军事上， 自由电子激光器可以成为强激光武器， 是反洲际导弹的激光武器的主要潜在手段之一。自由电子激光器功率虽然强大， 但由于其体积庞大， 因此目前只适宜安装在地面上， 供陆基激光器使用。在毫米波段， 自由电子激光器是唯一有效的强相干信号源， 在毫米波激光雷达、反隐形军事目标和激光致盲等研究中具有不可替代的重要应用价值。