Thulium ist eines der am wenigsten vorkommenden stabilen Lanthanoide in der Natur und teuer, sodass es nur in hochwertigen miniaturisierten Bauteilen verwendet wird. Thulium-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (Tm:YAG) und Thulium-dotierte Faserlaser emittieren augensicheres Licht um 2 µm, das von Wasser und biologischem Gewebe stark absorbiert wird und in urologischer Steinzertrümmerung, Weichteilchirurgie und Gassensorik verwendet wird. Das radioaktive Isotop Thulium-170 emittiert β- und γ-Strahlen und wird zu tragbaren Röntgen-Durchstrahlungsquellen und kleinen Bestrahlungseinheiten verarbeitet, die zerstörungsfreie Prüfung im Feld und vor Ort an Geräten ermöglichen, ohne dass eine große Röntgenmaschine eingesetzt werden muss. Thulium-Ionen finden zudem begrenzte Verwendung in optischer Speicherung, hochauflösender Fluoreszenzmarkierung und der Hochtemperatur-Supraleiter-Forschung. Obwohl sein Verbrauch winzig ist, ist es in den beiden Nischengebieten der augensicheren Laser und der tragbaren Isotopenquellen schwierig, eine billigere Alternative zu finden.
Tm2O3 (Thulium(III)-oxid) ist das wichtigste Oxid des Thuliums. Es ist ein weißes Pulver mit leichtem Grünstich und der Ausgangspunkt für die Herstellung von Thuliummetall, Tm:YAG-Laserkristallen und speziellen lumineszenten Materialien; es wird zudem als geringfügiger Dotierstoff in optischen Gläsern und elektronischen Keramiken verwendet. TmCl3 (Thuliumtrichlorid) ist ein Zwischenprodukt im Extraktions- und Trennflussbild, verwendet für die salzschmelzeelektrolytische Herstellung von Thuliummetall und die Synthese von Thuliumkomplexen. Da Thulium in der Erdkruste so selten ist, gelangen seine Verbindungen kaum auf den Massenverbrauchermarkt; sie werden nur als hochreine Reagenzien, Laserkristall-Ausgangsstoffe und radioaktive Isotopen-Targets geliefert. Thulium-170 wird typischerweise durch Bestrahlung eines Thulium-Targets in einem Reaktor erzeugt und anschließend als kleine Metall- oder Oxidquelle in tragbaren Fehlererkennungs- und Bestrahlungsgeräten verpackt.
