L-Proline methyl ester hydrochloride ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการสังเคราะห์อินทรีย์ โดยเฉพาะในเคมีเปปไทด์ ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบพื้นฐานในการเตรียมเปปไทด์ที่มีโปรลีนและเปปไทด์เลียนแบบ ซึ่งมีความสำคัญต่อการค้นคว้าและพัฒนายา สารประกอบนี้ยังถูกใช้ในการสังเคราะห์แบบอะซิมเมตริก โดยทำหน้าที่เป็นสารช่วยชิรัลเพื่อเหนี่ยวนำความเลือกทางสเตอรีโอในปฏิกิริยา นำไปสู่การผลิตสารประกอบที่บริสุทธิ์ทางเอ็นแอนติโอเมอร์ นอกจากนี้ยังนำไปใช้ในการสังเคราะห์โมเลกุลที่มีกิจกรรมทางชีวภาพ รวมถึงตัวยับยั้งและลิแกนด์สำหรับเอนไซม์และตัวรับต่างๆ ความเสถียรและปฏิกิริยาของมันทำให้เป็นสารเคมีที่มีค่ามากในเคมียารักษาและการวิจัยทางชีเคมี