Les rayons laser permettent de focaliser une forte puissance rayonnante sur une petite surface. Ils sont ainsi utilisés pour chauffer, fusionner ou vaporiser la matière. On les emploie ainsi dans l'industrie pour percer les matières les plus dures, comme le diamant, polir les composants microélectroniques, traiter à chaud les puces à semi-conducteurs, ou encore élaborer de nouvelles matières synthétiques.
Il est envisagé, dans certains projets de centrales à fusion nucléaire, d'utiliser des lasers pour confiner le milieu réactif à des densités critiques. Cette technique va être utilisée en France dans le cadre du projet «laser mégajoule». Un laser à haute puissance (laser à dioxyde de carbone) servira à déclencher des réactions de fusion nucléaires dans une enceinte confinée. Ceci permettra de mettre fin aux essais d'armes nucléaires, et d'acquérir le savoir-faire nécessaire à la conception de centrales nucléaires à fusion.
Dans la construction et les travaux publics, les rayons laser servent à vérifier l'alignement des structures. De même, ils sont largement utilisés dans les laboratoires industriels de contrôle de qualité et sur les chaînes d'emballage pour détecter les éventuels défauts de fabrication des produits. Ils se révèlent également d'excellents détecteurs de molécules gazeuses et sont utilisés pour l'étude de l'atmosphère et de ses polluants.
La faible dispersion spatiale des rayons laser et leur grande précision temporelle permettent de les utiliser pour mesurer des distances, à la manière des ondes radar : les rayons sont envoyés sur des miroirs positionnés sur les sites à cadastrer, par exemple le long d'une faille ou sur les rives opposées d'un océan en expansion. Le temps du trajet aller-retour du rayon laser permet de mesurer les distances au centimètre près.
Les satellites utilisent également des altimètres laser pour déterminer l'altitude du relief survolé ou la hauteur des vagues sur la mer. Des miroirs laser ont même été déposés sur la Lune par certains astronautes, et ont renvoyé des rayons laser émis depuis la Terre, permettant de mesurer la distance Terre-Lune avec une précision inégalée: de telles mesures ont mis en évidence la lente dérive de la Lune qui s'écarte de notre planète au rythme de quelques millimètres par an.
Réciproquement, la vitesse de la lumière laser peut être exactement calibrée entre deux points dont l'écartement est connu : ces mesures ont permis de vérifier entre autres la théorie de la relativité.
Dans les accélérateurs de particules, des commutateurs très rapides activés au laser sont en cours de développement. On projette également d'utiliser des rayons laser dans les chambres à vide pour stabiliser les atomes étudiés, et analyser rigoureusement leur spectre. Le caractère monochromatique et hautement directionnel des rayons laser permet en effet de sonder la structure moléculaire de la matière, par la mesure des infimes décalages spectraux des rayons laser réfléchis à son contact. La présence d'impuretés dans certaines matières peut ainsi être détectée.
D'autre part, le bombardement de molécules par des rayons laser monochromatiques permet d'y déclencher des réactions chimiques strictement contrôlées.
Des faisceaux laser sont utilisés en physique des ultrabasses températures pour refroidir des atomes à des températures avoisinant le zéro absolu. Cette technique de refroidissement laser repose sur l'échange de quantités de mouvement entre les photons de la lumière laser et les atomes. L'absorption (ou l'émission) d'un photon par un atome se traduit par le phénomène de recul de celui-ci, phénomène décrit dès 1917 par Einstein. Ainsi, en plaçant les atomes à l'intersection de six faisceaux laser de même fréquence, couvrant toutes les directions de l'espace, il est possible de les ralentir considérablement, donc de les refroidir à des températures de l'ordre de 10 à 20.10-6 K. Ces atomes dits froids peuvent encore être refroidis en atomes ultrafroids en combinant le refroidissement laser avec un piège magnétique, ce qui permet d'atteindre des températures d'atomes de avoisinant 10 à 20.10-9 K.
Cette technique est à l'origine de la réalisation de la condensation de Bose-Einstein, un état particulier de la matière où tous les atomes se trouvent dans le même état quantique. Ce phénomène, comparable à celui de la lumière laser composée de photons identiques, a permis l'avènement d'une nouvelle génération de lasers: les «lasers à atomes». Le premier laser atomique a été réalisé en 1997 par l'équipe de Wolfgang Ketterle (colauréat du prix Nobel de physique 2001) au sein de l'Institut de technologie du Massachusetts (MIT), à partir d'un condensat de sodium. Dès lors, d'autres équipes à travers le monde sont parvenues à obtenir des sources cohérentes d'ondes atomiques à partir de divers condensats d'atomes alcalins. Toutefois, l'utilisation des lasers atomiques reste pour l'instant cantonnée au champ de la physique fondamentale, en raison des trop faibles intensités et durées de leurs flux atomiques.
Comme toute onde, le rayonnement laser peut être modulé en signal et servir aux télécommunications. Le rayonnement laser se distingue en effet par une dispersion extrêmement réduite: il parcourt de longues distances dans le vide sans modification substantielle de l'intensité du signal. D'autre part, en raison de sa fréquence élevée, le rayonnement laser est capable de véhiculer 1000 fois plus de canaux de télévision que les ondes micrométriques et est préconisé pour les futures générations de satellites de télécommunications. Au sol, les fibres optiques véhiculent également des signaux laser porteurs d'une riche densité d'informations (chaînes de radio et de télévision, données informatiques) sur des réseaux en pleine expansion.
En raison de leur précision directionnelle, les rayons laser servent à couper et à cautériser les tissus organiques, sans endommager les tissus sains environnants. Ils sont utilisés notamment dans les opérations de décollement de la rétine, pour ressouder les tissus, ainsi que pour cautériser les vaisseaux sanguins et vaporiser les lésions. Le laser est également utilisé en laboratoire dans les analyses d'échantillons biochimiques.
Des systèmes de guidage à laser ont été développés pour les missiles, les avions et les satellites. Des canons laser de très haute énergie ont également été proposés comme nouvelle classe d'armement antimissile par le président américain Ronald Reagan en 1983 dans son programme IDS (Initiative de Défense Stratégique); plusieurs tests ont été conduits. D'autre part, la capacité que possèdent les lasers à liquide d'effectuer une excitation sélective des atomes pourrait ouvrir la voie à de nouveaux systèmes de séparation des isotopes, trouvant des applications notamment dans la fabrication des bombes nucléaires.
Grâce à ses impulsions lumineuses puissantes autant que brèves, le laser se prête remarquablement à la photographie: on peut obtenir de très courts temps de pose par ce procédé, permettant la photographie de phénomènes extrêmement brefs.
En holographie, ce sont également aux rayons laser que sont prises les photographies dont sont tirées par interférence des images tridimensionnelles.
Enfin, le succès du laser est aussi dû à ses applications spectaculaires dans les arts scéniques: ballets et arabesques de pinceaux lumineux dans le ciel, éclairages de concerts et spectacles son et lumière ont propulsé la technique laser aux avant-postes de l'art contemporain. Notons également que l'on utilise parfois les rayons laser pour nettoyer la façade de certains monuments historiques.