生物活细胞的激光成像是X射线激光的重要应用领域.它不需要像应用电子显微镜那样的样品制备过程，也不受样品活动的影响，并且在样品受到损伤之前就可完成成像过程。因此，采用波长在水窗附近(～ 4.4nm)的X射线激光作光源的X射线显微镜就可获得活细胞组织的图像，采用X射线激光全息术还可得到三维全息图，这对生物学、医学和生命科学的研究都具有重要意义。这项技术正被用于研究DNA在精子细胞内的排列。

X射线激光作激光探针用来诊断激光产生的高温等离子体内部，特别是临界面附近的密度分布将是X射线激光另一重要应用。这将为激光与物质相互作用的研究，特别是惯性约束聚变靶物理研究提供有效的诊断手段。

此外，材料科学、微电子学、化学、原子物理学以及精密加工等也都是X射线激光有希望的应用领域。受到X射线激光器发展水平的限制，其应用的研究刚刚开始.随着X射线激光器性能的改进和费用的降低，特别是小型台式X射线激光器研制的成功，X射线激光必将在科学技术发展中发挥越来越大的作用。

2022年，德国、法国研究团队利用直线加速器相干光源（LCLS）X射线激光器进行了实验，用它来分析当强烈的激光击中PET薄膜时会发生什么，是否产生了纳米钻石以及钻石生长的速度和大小。