4-Chloro-L-tryptophan ถูกใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์สารชีวโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับระบบประสาท โดยเฉพาะในงานวิจัยเกี่ยวกับเส้นทางการสังเคราะห์เซโรโทนิน เนื่องจากโครงสร้างคล้ายกับ L-tryptophan ซึ่งเป็นกรดอะมิโนจำเป็น สารนี้จึงสามารถนำมาใช้ศึกษาการยับยั้งหรือการปรับการทำงานของเอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง เช่น tryptophan hydroxylase นอกจากนี้ยังใช้ในงานพัฒนายาที่มีผลต่อระบบประสาทส่วนกลาง โดยเฉพาะยาที่เกี่ยวข้องกับภาวะซึมเศร้า ความวิตกกังวล และการนอนหลับ เนื่องจากมีผลต่อการสร้างสารสื่อประสาทในสมอง ในงานวิจัยด้านชีวเคมี 4-Chloro-L-tryptophan ถูกนำมาใช้เป็นตัวติดตามหรือตัวทำเครื่องหมายในโปรตีนหรือเปปไทด์ เพื่อศึกษาโครงสร้างและหน้าที่ของโปรตีนในระบบชีวภาพ ยังมีการศึกษาในการใช้เป็นสารยับยั้งการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์บางชนิด เนื่องจากสามารถรบกวนเส้นทางการสังเคราะห์กรดอะมิโนที่จำเป็นในแบคทีเรียหรือเชื้อรา