Thulium(III) 2,4-pentanedionate ใช้หลักๆ ในสาขาวิทยาศาสตร์วัสดุ โดยเฉพาะการสะสมฟิล์มบาง ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นในกระบวนการ deposition ด้วยไอระเหยทางเคมี (CVD) และการสะสมชั้นอะตอม (ALD) เพื่อสร้างฟิล์มออกไซด์ธูเลียมคุณภาพสูง ฟิล์มเหล่านี้จำเป็นสำหรับการผลิตวัสดุทางแสงขั้นสูง รวมถึงการเคลือบพิเศษสำหรับเลนส์และกระจกที่ต้องการการควบคุมคุณสมบัติการหักเหอย่างแม่นยำ นอกจากนี้ยังใช้ในการพัฒนาวัสดุเรืองแสง โดยใช้ลักษณะการปล่อยแสงที่เป็นเอกลักษณ์ของธูเลียมในแอปพลิเคชัน เช่น ฟอสเฟอร์สำหรับเทคโนโลยีแสงสว่างและการแสดงผล บทบาทในด้านการเร่งปฏิกิริยานั้นน่าจดจำ โดยเฉพาะในปฏิกิริยาการสังเคราะห์อินทรีย์ที่สามารถทำหน้าที่เป็นกรดลิวอิสเพื่ออำนวยความสะดวกในการแปลงเฉพาะเจาะจง