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。
