ไทโอนิลโบรไมด์ใช้หลักในการสังเคราะห์สารอินทรีย์เป็นสารตัวทำปฏิกิริยาโบรมีเนชัน โดยมีประสิทธิภาพสูงในการเปลี่ยนแอลกอฮอล์เป็นอัลคิลโบรไมด์ ซึ่งเป็นกระบวนการสำคัญในการเตรียมสารประกอบอินทรีย์ต่างๆ นอกจากนี้ ยังใช้เป็นสารตัวทำปฏิกิริยาในการสังเคราะห์ยาและสารเคมีเกษตร ที่ต้องการการโบรมีเนชันที่แม่นยำ ความสามารถในการนำอะตอมโบรมีเข้าไปในโมเลกุลทำให้มีคุณค่าในการผลิตสารเคมีเฉพาะทางและสารกลาง ในบางกรณี ยังใช้ในการเตรียมโพลิเมอร์ที่โบรมีเนต ซึ่งนำไปใช้ในสารยับยั้งการลุกไหม้และการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ต้องระมัดระวังในการใช้งานเนื่องจากเป็นสารที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูงและอาจเป็นอันตรายหากสัมผัสโดยตรง