สารละลาย sec-Butyllithium ถูกใช้อย่างแพร่หลายเป็นฐานที่แรงและนิวคลีโอไฟล์ในการสังเคราะห์อินทรีย์ มักใช้ในการพอลิเมอไรเซชันของสไตรีน บิวทาไดอีน และไอโซพรีน เพื่อผลิตยางสังเคราะห์และพลาสติก นอกจากนี้ ยังทำหน้าที่เป็นตัวเริ่มปฏิกิริยา (initiator) สำหรับปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบแอนไอออนิก ซึ่งช่วยให้ผลิตพอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างชัดเจนและน้ำหนักโมเลกุลที่ควบคุมได้

สารเคมีนี้ยังถูกใช้ในการดิพรอตโทเนต (deprotonation) ของสารประกอบที่เป็นกรดอ่อน เพื่ออำนวยความสะดวกในการก่อตัวของคาร์บาไนออนสำหรับปฏิกิริยาต่อไป มีบทบาทสำคัญในการสังเคราะห์โมเลกุลอินทรีย์ที่ซับซ้อน รวมถึงยาและสารเคมีละเอียด โดยช่วยในการก่อตัวพันธะคาร์บอน-คาร์บอน

ในการวิจัยและพัฒนา sec-butyllithium มักใช้ในการเตรียมรีเอเจนต์ออร์กาโนลิเธียม ซึ่งเป็นสารกลางที่จำเป็นในกระบวนการแปลงอินทรีย์ต่างๆ ความไวต่อปฏิกิริยาสูงทำให้เป็นเครื่องมือที่มีคุณค่าในการพัฒนาวัสดุใหม่และกระบวนการเคมี ต้องจัดการอย่างเหมาะสมเนื่องจากมีลักษณะ pyrophoric และไวต่ออากาศและความชื้น