น้ำยาลิเธียมเดยูเทอรอกไซด์ใช้หลักในการเคมีนิวเคลียร์และการวิจัย โดยเฉพาะการศึกษาปฏิกิริยาที่มีฐานดิวเทอเรียม ทำหน้าที่เป็นแหล่งดิวเทอเรียมในการสังเคราะห์สารประกอบเดยูเทอเรต ซึ่งจำเป็นสำหรับสเปกโทรสโกปีนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (NMR) เพื่อการวิเคราะห์โครงสร้างโมเลกุลและพลวัตโดยละเอียด นอกจากนี้ ยังใช้ในการเตรียมน้ำหนักโมเลกุล (D2O) และวัสดุที่มีฉลากดิวเทอเรียมอื่นๆ ซึ่งสำคัญในการชะลอนิวตรอนและการใช้งานเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ บทบาทในการติดฉลากไอโซโทปยังสนับสนุนความก้าวหน้าในเภสัชกรรมและชีวเคมี ช่วยในการศึกษาทางเดินเมแทบอลิซึมและปฏิกิริยาระหว่างยา