Gadolinium sticht unter den Seltenerdmetallen durch zwei Stärken hervor: Magnetismus und Neutronenabsorption. Sein Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen gehört zu den höchsten aller Elemente, sodass es direkt als Reaktorsteuerstäbe und verbrennbare Neutronengifte sowie in den Ionisationskammern und Dosimetern von Neutronendetektoren verwendet wird. In der medizinischen Bildgebung ist Gadolinium die Kernkomponente der wichtigsten positiven Kontrastmittel, die in der Magnetresonanztomographie eingesetzt werden: Gadolinium-Ionen werden chelatisiert und in den Körper injiziert, und ihr starker Paramagnetismus verkürzt die Relaxationszeit umgebender Wassermoleküle, sodass Tumore und vaskuläre Läsionen auf T1-gewichteten Bildern klar hervortreten. In der Materialforschung hat metallisches Gadolinium einen sehr starken magnetokalorischen Effekt und ist das Kernarbeitsmaterial für magnetische Kühlprototypen bei Raumtemperatur und Raumtemperatur-Magnetkältegeräte. Zudem wurden Gadolinium-Gallium-Granat-Einkristallwafer (GGG) einst als Substrate für Magnetblasenspeicher verwendet und bleiben ein Substratmaterial für einige magneto-optische Bauteile und Laserkreiselinstrumente.
Gd2O3 (Gadolinium(III)-oxid) ist der Ausgangspunkt für die Herstellung von Gadoliniummetall, Gadolinium-Chelat-Kontrastmitteln und verschiedener Gadoliniumkeramiken; es wird zudem in Röntgenverstärkerfolgen-Leuchtstoffen und als optischer Glas-Zusatz verwendet, wobei es sich seinen hohen Ordnungszahl zunutze macht, um Röntgenstrahlen zu absorbieren. GdCl3 (Gadoliniumtrichlorid) ist ein hydrometallurgisches Zwischenprodukt, das in der NMR- und Koordinationschemie-Forschung zur Herstellung paramagnetischer Reagenzien und metallorganischer Vorläufer verwendet wird. Gd2O2S:Tb ist der mit Terbium aktivierte Gadoliniumoxysulfid-Szintillator: hochreines Gadoliniumoxysulfid-Pulver wird mit Spuren Terbium als Lumineszenzzentrum dotiert und emittiert unter Röntgenbestrahlung grünes Licht. Es ist der am weitesten verbreitete Szintillator in der medizinischen Durchleuchtung, Computertomographie und digitalen Radiographie-Flachdetektoren und bestimmt direkt die Bildschärfe sowie die vom Patienten absorbierte Dosis.
