Thallium ist ein silberweißes, weiches, extrem giftiges Streumetall; in der Natur bildet es fast nie unabhängige Lagerstätten, sondern ist im Schmelzstaub von Blei-Zink-Erzen, Eisenerzen und bestimmten polymetallischen Sulfiderzen assoziiert. Seine modernen industriellen Verwendungen sind stark beschränkt und konzentrieren sich hauptsächlich auf zwei Richtungen: Infrarotoptik und Spezialelektronikmaterialien. In der Infrarotoptik haben Einkristalle aus Thalliumbromoiodid (KRS-5) und Thalliumbromochlorid eine ausgezeichnete Transmission im Mittelinfrarot und sind relativ weich, verwendet als Prismen, Fenster und Linsen in Infrarotspektrometern und Wärmebildgeräten. In Supraleitung und Spezialmaterialien zogen thalliumbasierte Hochtemperatursupraleiter (wie das Tl-Ba-Ca-Cu-O-System) einst Forschungsinteresse an, mit kritischen Temperaturen oberhalb des Flüssigstickstoffbereichs, aber weil Thallium hochgiftig und schwer herzustellen ist, erreichten sie nie eine großtechnische kommerzielle Nutzung. Historisch wurden Thalliumsalze als Rodentizide und Insektizide verwendet; weil sie für Menschen und Vieh gleichermaßen giftig sind und sich Vergiftungsvorfälle wiederholten, sind solche landwirtschaftlichen Verwendungen seit langem weltweit verboten. Thallium hat zudem geringe medizinische und Forschungsanwendungen in wenigen Speziallegierungen, optischen Gläsern mit hohem Brechungsindex und dem Tl-201-Radioisotop-Herzbildgebungsmittel. Wegen seiner schweren Toxizität und des Fehlens eines spezifischen Gegengifts steht Thallium unter strenger internationaler Kontrolle, und sein ziviler Maßstab schrumpft.
Thallium(I)-oxid (Tl2O) ist eines der Hauptoxide des Thalliums, ein schwarzes Pulver, das hauptsächlich zur Herstellung anderer Thalliumverbindungen und als Dotierstoff in bestimmten Spezialoptikgläsern verwendet wird, wobei es deren Brechungsindex und Dichte erhöht. Thallium(I)-chlorid (TlCl) ist ein weißer, schwer löslicher Kristall, eine wichtige Zwischenstufe der Thalliummetallurgie und einer der Schlüsselrohstoffe für den Infrarotkristall KRS-5 (Thalliumbromoiodid), mit stabiler, aber sehr kleiner Verwendung in der Herstellung infrarotoptischer Komponenten. Thallium(I)-sulfat (Tl2SO4) ist ein farbloser, geruchloser, extrem giftiger weißer Kristall, einst weit verbreitet als Rodentizid und Insektizid; weil es wiederholt Menschen und Vieh vergiftete und die Umwelt verschmutzte, ist seine landwirtschaftliche Verwendung seit langem in allen Ländern ausdrücklich verboten, und es wird nun nur in winzigen Mengen im Labor und in der Spezialanalyse verwendet. Darüber hinaus sind Thalliumbromid und Thalliumiodid Rohstoffe für infrarotoptische Kristalle, und Thalliumnitrat wird in wenigen chemischen Analysen und der Leuchtmaterialforschung verwendet. Insgesamt gibt es aufgrund von Toxizitätskontrollen im Wesentlichen keinen zivilen Markt für Thalliumverbindungen.
