N-Methyl-DL-leucine ถูกนำมาใช้ในงานวิจัยทางชีวเคมีและเภสัชวิทยาเพื่อศึกษากลไกการทำงานของเอนไซม์และกระบวนการเมแทบอลิซึมของกรดอะมิโน เนื่องจากมีโครงสร้างที่คล้ายคลึงกับกรดอะมิโนธรรมชาติ จึงสามารถใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์เปปไทด์หรือโปรตีนที่มีคุณสมบัติเฉพาะ นอกจากนี้ ยังมีการศึกษาการนำสารนี้ไปใช้ในการพัฒนายาเพื่อปรับปรุงการดูดซึมและประสิทธิภาพของสารออกฤทธิ์ทางยา โดยเฉพาะในกลุ่มยาที่เกี่ยวข้องกับการรักษาโรคทางระบบประสาทหรือโรคที่เกี่ยวข้องกับการเผาผลาญพลังงาน