Le gadolinium se distingue parmi les terres rares par deux atouts : le magnétisme et l'absorption des neutrons. Sa section efficace d'absorption des neutrons thermiques est parmi les plus élevées de tous les éléments, si bien qu'il est utilisé directement comme barres de commande de réacteur et poisons consommables, ainsi que dans les chambres d'ionisation et les dosimètres des détecteurs de neutrons. En imagerie médicale, le gadolinium est le composant central des principaux produits de contraste positifs utilisés en imagerie par résonance magnétique : les ions gadolinium sont chélatés et injectés dans l'organisme, et leur fort paramagnétisme raccourcit le temps de relaxation des molécules d'eau environnantes, si bien que tumeurs et lésions vasculaires apparaissent clairement sur les images en pondération T1. En recherche sur les matériaux, le gadolinium métallique présente un effet magnétocalorique très marqué et est le matériau de travail central des prototypes de réfrigération magnétique à température ambiante et des réfrigérateurs magnétiques à température ambiante. Par ailleurs, les plaquettes monocristallines de grenat gadolinium-gallium (GGG) servaient autrefois de substrats pour les mémoires à bulles magnétiques et demeurent un matériau de substrat pour certains dispositipes magnéto-optiques et gyroscopes laser.
Gd2O3 (oxyde de gadolinium(III)) est le point de départ de la préparation du métal gadolinium, des produits de contraste à chélate de gadolinium et de diverses céramiques au gadolinium ; il est aussi employé dans les luminophores d'écrans intensificateurs de rayons X et comme additif pour verre optique, tirant parti de son numéro atomique élevé pour absorber les rayons X. GdCl3 (trichlorure de gadolinium) est un intermédiaire hydrométallurgique utilisé dans la recherche en RMN et en chimie de coordination pour préparer des réactifs paramagnétiques et des précurseurs organométalliques. Gd2O2S:Tb est le scintillateur oxysulfure de gadolinium activé au terbium : une poudre d'oxysulfure de gadolinium de haute pureté est dopée à l'état de traces au terbium comme centre lumineux, et sous irradiation aux rayons X elle émet une lumière verte. C'est le scintillateur le plus largement utilisé dans la radioscopie médicale, la tomodensitométrie et les détecteurs plans de radiographie numérique, et il détermine directement la netteté de l'image et la dose reçue par le patient.
