Moleküler biyoloji teknikleri, saf araştırma, tıbbi teşhis, adli tıp ve tarım dahil olmak üzere birçok alana uygulanabilir. Araştırmacılar gen yapısını ve işlevini incelemek için moleküler biyoloji yöntemlerini kullanır ve mutasyonların, bireysel genlerin ve genetik etkileşimlerin bir fenotipin ifadesini nasıl etkileyebileceğini tahmin etmek için epigenetik araştırmalar yapar. Tıbbi teşhis, örneğin HER2 pozitif meme kanserini taramak için genetik ve bulaşıcı hastalık testi, onkojenik mutasyonların tespiti ve hatta histoloji gibi uygulamalar için moleküler biyoloji tekniklerini kullanır. Moleküler biyoloji, gen terapilerinin geliştirilmesine de katkıda bulunmuştur ve hücresel fizyolojinin anlaşılmasında önemli bir rol oynayarak, etki ve düzenleme yönteminin araştırılmasına ve ilaç geliştirmeyi daha verimli bir şekilde hedeflemek ve tanısal testleri geliştirmek için kullanılmasına olanak tanır. Adli bilim adamları, tanımlama amacıyla bireyler arasında ayrım yapmak için gDNA'nın PCR amplifikasyonuna güvenirken, tarımda PCR, gıda patojeni tespiti, bitki genotiplemesi ve genetiği değiştirilmiş organizmalar için testte ayrılmaz bir rol oynar.