3,3-Dimethylbutyryl chloride ใช้หลัก ๆ เป็นสารกลางในการสังเคราะห์อินทรีย์ สารประกอบนี้จำเป็นต่อการผลิตเภสัชภัณฑ์และเคมีเกษตรหลากหลายชนิด โดยมีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยาเอซิเลชัน ซึ่งนำกลุ่ม 3,3-ไดเมทิลบิวทิริล เข้าสู่โมเลกุลเป้าหมาย เพื่อเพิ่มกิจกรรมทางชีวภาพหรือความเสถียร นอกจากนี้ ยังใช้ในการสังเคราะห์กลิ่นและน้ำหอมบางชนิด เพื่อช่วยพัฒนาโปรไฟล์กลิ่นที่เป็นเอกลักษณ์ ในงานวิจัย ใช้เป็นรีเอเจนต์สำหรับปรับเปลี่ยนเปปไทด์และโปรตีน เพื่อช่วยในการศึกษาความโครงสร้างและหน้าที่ การประยุกต์ใช้นี้ยังขยายไปสู่สาขาวิทยาศาสตร์วัสดุ โดยใช้ในการสร้างโพลิเมอร์เฉพาะทางที่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ