N,N-Dimethyl-L-valine ถูกใช้หลักๆ ในด้านการสังเคราะห์อินทรีย์และการวิจัยทางเภสัชกรรม โดยทำหน้าที่เป็นสารกลางสำคัญในการผลิตสารประกอบชีวภาพและยาต่างๆ โครงสร้างของมันมีคุณค่าอย่างยิ่งในการพัฒนาเปปไทด์และเปปไทด์เลียนแบบ ซึ่งจำเป็นต่อการค้นพบยาเพื่อกำหนดเป้าหมายทางชีวภาพเฉพาะ นอกจากนี้ ยังถูกนำมาใช้ในการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาคีรอล ซึ่งสำคัญต่อการสังเคราะห์แบบอะซิมเมตริกในการผลิตสารบริสุทธิ์ทางเอนานติโอเมอร์ สารประกอบนี้ยังถูกนำไปประยุกต์ใช้ในการศึกษายับยั้งเอนไซม์ ช่วยในการทำความเข้าใจกลไกของเอนไซม์และการออกแบบยารักษา