El lutecio es el más pesado y raro de los lantánidos, con una abundancia crustal extremadamente baja y una extracción y separación difíciles, lo que lo hace caro y concentra sus usos en un puñado de campos de vanguardia. Su aplicación más icónica es como material huésped de centelleo para detectores PET (tomografía por emisión de positrones): los cristales de ortosilicato de lutecio dopados con cerio convierten los fotones gamma en luz visible, brindando a los escáneres PET corporales de hospital una imagen tumoral de alta sensibilidad y alta resolución; actualmente es el uso mayor y más irremplazable del lutecio. En petroquímica, los compuestos de lutecio sirven como catalizadores especializados en el craqueo catalítico fluido del petróleo; aunque en volumen mucho menores que las tierras raras ligeras como el lantano y el cerio, aún ocupan un lugar en procesos de química fina que exigen alta actividad, larga vida y selectividad. El lutecio también se usa como componente menor en ciertos cristales láser especiales, adiciones de aleación y materiales magnéticos, y como centelleadores y blancos en la investigación de física nuclear. Como casi siempre se encuentra en la naturaleza asociado a tierras raras pesadas como el itrio y el gadolinio, los costos de separación son altos y la escala industrial sigue siendo pequeña; un caso de manual de metal estratégico consumido en cantidades ínfimas pero irremplazables.
El óxido de lutecio (Lu2O3) es el óxido más común del lutecio, un polvo blanco usado principalmente como huésped de dopaje para vidrios ópticos y cristales de centelleo, y como materia prima para fabricar metal de lutecio y otros compuestos de lutecio. El cloruro de lutecio (LuCl3) es el principal haluro del lutecio, usado en síntesis de laboratorio y como precursor catalizador, en pequeñas cantidades en el craqueo catalítico fluido del petróleo y ciertas reacciones de síntesis orgánica. El ortosilicato de lutecio dopado con cerio (LSO:Ce, a menudo escrito Lu2SiO5:Ce) es la aplicación de compuesto más icónica del lutecio: un cristal de centelleo de alto rendimiento con alta densidad, alto rendimiento luminoso y tiempo de decaimiento rápido, ampliamente usado en las matrices de detectores de escáneres PET hospitalarios así como en experimentos de física nuclear y detección de rayos gamma para control de seguridad. Más allá de estos, el nitrato de lutecio, el fluoruro de lutecio y otros compuestos de lutecio se usan solo a nivel de trazas en investigación y materiales ópticos especiales, sin un gran mercado de consumo.
