Le lutétium est le plus lourd et le plus rare des lanthanides, avec une abondance crustale extrêmement faible et une extraction et une séparation difficiles, ce qui le rend cher et concentre ses usages dans une poignée de domaines de pointe. Son application la plus emblématique est comme matériau hôte scintillateur pour les détecteurs TEP (tomographie par émission de positons) : les cristaux d'orthosilicate de lutétium dopés au cérium convertissent les photons gamma en lumière visible, offrant aux scanners TEP corps entier des hôpitaux une imagerie tumorale très sensible et très résolue – aujourd'hui l'usage le plus grand et le plus irremplaçable du lutétium. En pétrochimie, les composés du lutétium servent de catalyseurs spécialisés dans le craquement catalytique fluide du pétrole ; bien que beaucoup plus petits en volume que les terres rares légères telles que le lanthane et le cérium, ils conservent leur place dans les procédés de chimie fine exigeant une activité élevée, une longue durée de vie et une sélectivité. Le lutétium est aussi utilisé comme composant mineur dans certains cristaux laser spécialisés, additions d'alliage et matériaux magnétiques, ainsi que comme scintillateurs et cibles dans la recherche en physique nucléaire. Parce qu'il se rencontre presque toujours dans la nature associé à des terres rares lourdes telles que l'yttrium et le gadolinium, les coûts de séparation sont élevés et l'échelle industrielle reste modeste – un métal stratégique manuel, consommé en quantités infimes mais irremplaçable.
L'oxyde de lutétium (Lu2O3) est l'oxyde le plus courant du lutétium, une poudre blanche utilisée principalement comme hôte de dopage pour les verres optiques et les cristaux scintillateurs, ainsi que comme matière de départ pour fabriquer le métal lutétium et d'autres composés du lutétium. Le chlorure de lutétium (LuCl3) est l'halogénure principal du lutétium, utilisé en synthèse de laboratoire et comme précurseur de catalyseur, en petites quantités dans le craquement catalytique fluide du pétrole et certaines réactions de synthèse organique. L'orthosilicate de lutétium dopé au cérium (LSO:Ce, souvent écrit Lu2SiO5:Ce) est l'application composée la plus emblématique du lutétium : un cristal scintillateur haute performance à haute densité, haut rendement lumineux et temps de décroissance rapide, largement utilisé dans les matrices de détecteurs des scanners TEP hospitaliers ainsi que dans les expériences de physique nucléaire et la détection de rayons gamma pour le filtrage de sécurité. Au-delà, le nitrate de lutétium, le fluorure de lutétium et autres composés du lutétium ne sont utilisés qu'à l'état de trace dans la recherche et les matériaux optiques spécialisés, sans grand marché grand public.
