tert-Butyllithium solution ใช้เป็นสารตั้งต้นสำคัญในกระบวนการสังเคราะห์ทางเคมีอินทรีย์ โดยเฉพาะในปฏิกิริยาการสร้างพันธะคาร์บอน-คาร์บอน (carbon-carbon bond formation) และการเตรียมสารประกอบออร์กาโนลิเทียม (organolithium compounds) นอกจากนี้ ยังถูกนำไปใช้ในปฏิกิริยาการกำจัดโปรตอน (deprotonation) เพื่อสร้างคาร์บานิออน (carbanion) ที่มีความไวสูง ซึ่งเป็นประโยชน์ในการสังเคราะห์โมเลกุลที่ซับซ้อน เช่น การผลิตโพลีเมอร์และยา ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี tert-Butyllithium ยังใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวเริ่มต้น (initiator) ในกระบวนการพอลิเมอไรเซชัน (polymerization) อีกด้วย อย่างไรก็ตาม ต้องใช้ด้วยความระมัดระวังเนื่องจากมีความไวต่ออากาศและน้ำสูง และอาจเกิดปฏิกิริยารุนแรงได้