Le molybdène est un métal réfractaire à haut point de fusion et à haute résistance, un additif indispensable tant dans la sidérurgie que dans la lubrification à haute température. Son plus gros usage est dans les aciers alliés : des additions traces de molybdène améliorent significativement la trempabilité, la résistance à haute température et la résistance à la fragilisation par revenu, si bien que les aciers de construction, aciers à outils, aciers inoxydables et superalliages contiennent tous du molybdène, largement utilisés dans les pipelines pétroliers et gaziers, les récipients sous pression, les engrenages automobiles et les blindages militaires. Dans les superalliages, le molybdène sert dans les turbines à gaz et les matrices d'extrusion à chaud, conservant sa dureté même au rouge. Dans la lubrification, la structure en couches du disulfure de molybdène (MoS2) en fait un excellent additif lubrifiant solide, incorporé dans les graisses, les films secs pulvérisés et les lubrifiants solides par métallurgie des poudres pour roulements et engrenages en conditions de haute température, forte charge et vide. Dans la catalyse, les catalyseurs molybdène-cobalt et molybdène-nickel sont utilisés dans l'hydrodésulfuration du pétrole et la valorisation des bruts lourds, auxiliaires clés du raffinage. Le fil et la tôle de molybdène servent aussi dans les électrodes de fusion du verre et les éléments chauffants sous vide, du fait de leur basse pression de vapeur à haute température et de leur non-mouillabilité avec le verre.
Le disulfure de molybdène (MoS2) est une poudre écailleuse noire, le constituant principal de la molybdénite naturelle ; parce que ses couches glissent facilement les unes sur les autres, c'est un excellent lubrifiant solide utilisé dans les graisses à haute température, les revêtements à film sec et la modification autolubrifiante de plastiques comme le nylon. Le trioxyde de molybdène (MoO3) est l'oxyde intermédiaire de production du molybdène métallique et des molybdates, et est aussi un constituant des catalyseurs de déshydrogénation et de désulfuration et un colorant dans la céramique et les émaux. Les molybdates (tels que molybdate de sodium et molybdate d'ammonium) sont largement utilisés comme inhibiteurs de corrosion des métaux, inhibiteurs d'entartrage dans les systèmes d'eau de refroidissement et engrais agricoles traces, et sont aussi des précurseurs de préparation des catalyseurs d'hydrodésulfuration pétrolière. La molybdénite (MoS2) elle-même est le principal minerai dont est raffiné le molybdène, si bien que son identité de lubrifiant et de matière première métallurgique coïncide dans un seul minéral.
