自由电子激光器因其独特优势，自诞生以来就备受科学家关注。它的应用领域广泛，特别适合研究光与物质的相互作用，涉及固体表面物理、半导体物理、超导体、凝聚态物理等多个学科。在原子核工程中，自由电子激光器展现出高功率、宽可调光谱范围及连续运行的特性，这使得它在物质提纯、受控核聚变等领域大显身手，例如对铀、钆等元素的同位素分离和等离子体加热。
工业上，自由电子激光器的高效率、短脉冲和可调波长使其在薄膜沉积、平板印刷、蚀刻等工艺中极具潜力，尤其适用于大批量材料处理，能输出高平均功率。在化学分析与测量方面，它能生产高纯硅晶体，对集成电路装配，如量子处理和光刻，也有所贡献。此外，它还被用于激光加工、光CVD等领域，以及原子、分子研究，如光化学研究。
医学领域，小型、实用的自由电子激光器是未来发展的重点，波段可调至1-101am，功率在几百瓦以下，能用于医院的特定治疗。空间应用上，它能为空间站降低对太阳能的依赖，通过输送能量。在军事方面，自由电子激光器具有强大的功率，被视为反洲际导弹激光武器的潜在技术，尽管体积大，但对地面陆基激光器具有重要意义。在毫米波段，它是强相干信号源，对于激光雷达和军事目标识别等领域至关重要。
激光是二十世纪最伟大的发明之一，自由电子激光是激光家族的一个新成员。由于它的工作介质是自由电子，因此称为自由电子激光，这种激光的特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计，并且能够在大范围内连续调节，有着重要的应用前景。