อะเซทิลโคลีนเอสเทอเรสมีบทบาทสำคัญในระบบประสาท โดยทำหน้าที่สลายอะเซทิลโคลีน ซึ่งเป็นสารสื่อประสาทที่รับผิดชอบในการส่งสัญญาณในจุดเชื่อมประสาท เอนไซม์นี้จำเป็นต่อการทำงานของกล้ามเนื้อและกระบวนการทาง认知 ในทางการแพทย์ ยับยั้งอะเซทิลโคลีนเอสเทอเรสถูกใช้ในการรักษาโรคเช่น โรคอัลไซเมอร์และไมแอสทีเนียกราวิส เนื่องจากช่วยเพิ่มระดับอะเซทิลโคลีน ส่งผลให้การสื่อสารระหว่างเซลล์ประสาทดีขึ้น ในทางเกษตร สารกำจัดศัตรูพืชบางชนิดเล็งเป้าไปที่อะเซทิลโคลีนเอสเทอเรสในแมลง รบกวนระบบประสาทของพวกมันและควบคุมประชากรศัตรูพืชได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ การวิจัยเกี่ยวกับกิจกรรมของอะเซทิลโคลีนเอสเทอเรสยังช่วยในการพัฒนายาแก้พิษสำหรับการวางยาพิษด้วยสารประสาท เนื่องจากสารเหล่านี้มักยับยั้งเอนไซม์ ส่งผลให้เกิดผลกระทบทางระบบประสาทรุนแรง

ในฐานะน้ำยาเคมีสำหรับห้องปฏิบัติการ อะเซทิลโคลีนเอสเทอเรสที่บริสุทธิ์นี้ (200 หน่วย/กรัม) ถูกใช้อย่างแพร่หลายในการทดสอบทางชีวเคมีเพื่อวัดกิจกรรมของเอนไซม์ คัดกรองตัวยับยั้งที่เป็นไปได้ และศึกษากลไกการส่งสัญญาณโคลิเนอร์จิก มีคุณค่าในการวิจัยทางประสาทวิทยา การศึกษาก toxicology สำหรับผลกระทบของสารกำจัดศัตรูพืชและสารประสาท และชุดตรวจวินิจฉัยในหลอดทดลองสำหรับตรวจจับการสัมผัสออร์กาโนฟอสเฟต