Le thulium est l'un des lanthanides stables les moins abondants dans la nature et il est cher, si bien qu'il n'est utilisé que dans des dispositipes miniaturisés haut de gamme. Le grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au thulium (Tm:YAG) et les lasers à fibre dopés au thulium émettent une lumière sans danger pour l'œil autour de 2 µm, fortement absorbée par l'eau et les tissus biologiques, et sont utilisés dans la lithotritie urologique, la chirurgie des tissus mous et la détection de gaz. L'isotope radioactif thulium-170 émet des rayons β et γ et est transformé en sources mobiles de rayons X de contrôle et petites unités d'irradiation, permettant le contrôle non destructif sur le terrain et sur site sans devoir déployer une grande machine à rayons X. Les ions thulium trouvent aussi un usage limité dans le stockage optique, le marquage fluorescent à haute résolution et la recherche sur les supraconducteurs à haute température. Bien que sa consommation soit minuscule, dans les deux niches des lasers sans danger pour l'œil et des sources isotopiques portables il est difficile de trouver une alternative moins coûteuse.
Tm2O3 (oxyde de thulium(III)) est le principal oxyde du thulium. C'est une poudre blanche à légère teinte verdâtre et le point de départ de la préparation du métal thulium, des cristaux laser Tm:YAG et de matériaux luminescents spéciaux ; il sert aussi de dopant mineur dans les verres optiques et les céramiques électroniques. TmCl3 (trichlorure de thulium) est un intermédiaire du schéma d'extraction et de séparation, utilisé pour la production par électrolyse en sel fondu du métal thulium et la synthèse de complexes de thulium. Le thulium étant si rare dans la croûte terrestre, ses composés entrent à peine sur le marché de grande consommation ; ils ne sont fournis qu'à titre de réactifs de haute pureté, de matière première de cristaux laser et de cibles d'isotopes radioactifs. Le thulium-170 est typiquement produit en irradiant une cible de thulium dans un réacteur, puis conditionné comme petite source métallique ou d'oxyde à l'intérieur des appareils portables de détection de défauts et d'irradiation.
