N-Chloroacetyl-L-leucine ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ทางเคมี โดยเฉพาะในด้านการสร้างเปปไทด์และโปรตีน เนื่องจากมีกลุ่มฟังก์ชันที่สามารถทำปฏิกิริยาได้ง่าย จึงเหมาะสำหรับใช้เป็นสารตั้งต้นในการสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อน นอกจากนี้ยังมีการนำไปใช้ในการวิจัยทางเภสัชวิทยาเพื่อพัฒนายาและสารประกอบทางชีวภาพที่มีฤทธิ์เฉพาะทาง