El gadolinio destaca entre las tierras raras por dos fortalezas: el magnetismo y la absorción de neutrones. Su sección eficaz de absorción de neutrones térmicos se encuentra entre las más altas de todos los elementos, por lo que se utiliza directamente como barras de control de reactores y venenos consumibles, y en las cámaras de ionización y dosímetros de los detectores de neutrones. En imagen médica, el gadolinio es el componente central de los principales agentes de contraste positivos utilizados en la imagen por resonancia magnética: los iones gadolinio se quelan e inyectan en el cuerpo, y su fuerte paramagnetismo acorta el tiempo de relajación de las moléculas de agua circundantes, de modo que los tumores y las lesiones vasculares aparecen claramente en las imágenes ponderadas en T1. En la investigación de materiales, el gadolinio metálico tiene un efecto magnetocalórico muy fuerte y es el material de trabajo central de los prototipos de refrigeración magnética a temperatura ambiente y de los refrigeradores magnéticos a temperatura ambiente. Además, las obleas monocristalinas de granate de gadolinio y galio (GGG) se utilizaron en su día como sustratos para memorias de burbuja magnética y siguen siendo un material de sustrato para algunos dispositivos magnetoópticos y giroscopios láser.
Gd2O3 (óxido de gadolinio(III)) es el punto de partida para preparar el metal de gadolinio, los agentes de contraste de quelato de gadolinio y diversas cerámicas de gadolinio; se utiliza también en los fósforos de pantalla intensificadora de rayos X y como aditivo de vidrio óptico, aprovechando su alto número atómico para absorber los rayos X. GdCl3 (tricloruro de gadolinio) es un intermedio hidrometalúrgico utilizado en la investigación de RMN y química de coordinación para preparar reactivos paramagnéticos y precursores organometálicos. Gd2O2S:Tb es el centelleador de oxisulfuro de gadolinio activado con terbio: un polvo de oxisulfuro de gadolinio de alta pureza se dopa con trazas de terbio como centro luminiscente, y bajo irradiación de rayos X emite luz verde. Es el centelleador más utilizado en la fluoroscopia médica, la tomografía computarizada y los detectores planos de radiografía digital, y determina directamente la claridad de la imagen y la dosis recibida por el paciente.
