DL-เซอรีนถูกใช้ในหลายด้าน โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมเภสัชกรรมและอาหาร เป็นส่วนประกอบสำคัญในสารเสริมอาหารเพื่อสนับสนุนการทำงานของระบบประสาท เนื่องจากมีบทบาทเกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณในสมอง โดยเฉพาะที่ตัวรับ NMDA ซึ่งเกี่ยวข้องกับความจำและการเรียนรู้ ในงานวิจัยทางการแพทย์ DL-เซอรีนถูกศึกษาเพื่อใช้ช่วยในผู้ป่วยโรคทางระบบประสาท เช่น โรคอัลไซเมอร์ โรคสเกลโรซิสขั้นต้นแบบ (ALS) และโรคจิตเภท เนื่องจากอาจช่วยชะลอการเสื่อมของเซลล์ประสาท นอกจากนี้ยังใช้ในอุตสาหกรรมเครื่องสำอาง โดยเป็นส่วนผสมในผลิตภัณฑ์บำรุงผิว เพราะช่วยเพิ่มความชุ่มชื้นให้กับผิวและเสริมสร้างเกราะป้องกันผิวตามธรรมชาติ DL-เซอรีนยังใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์สารชีวโมเลกุลอื่น ๆ ในห้องปฏิบัติการ และใช้ในอาหารทางการแพทย์สำหรับผู้ที่มีภาวะขาดสารอาหารเฉพาะชนิด