ใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์สารประกอบที่มีธูเลียมอื่นๆ โดยหลักแล้วในงานวิจัยและวัสดุเลนส์เฉพาะทาง สารนี้ถูกนำไปใช้ในการพัฒนาเลเซอร์แบบของแข็งและวัสดุเรืองแสง โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่ต้องการคุณสมบัติการปล่อยแสงอินฟราเรด เนื่องจากมีคุณสมบัติการเรืองแสงเมื่อถูกกระตุ้น จึงถูกศึกษาเพื่อใช้ในระบบการถ่ายภาพและตรวจจับรังสี นอกจากนี้ยังมีบทบาทในการผสมโด๊ปคริสตัลสำหรับสื่อเลเซอร์ โดยโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของมันช่วยให้เกิดการปล่อยคลื่นความยาวเฉพาะ การใช้งานยังคงจำกัดอยู่ที่ห้องปฏิบัติการและการทดลองเป็นหลัก เนื่องจากความหายากและต้นทุนสูงของธูเลียม โดยเฉพาะในการพัฒนาแหล่งกำเนิดแสงในช่วงอินฟราเรด รวมถึงประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการวัสดุหายากคุณภาพสูง และมีศักยภาพในการใช้ในระบบการสื่อสารด้วยแสงและเซนเซอร์ที่ไวต่อแสง