二元酸二甲酯是一種重要的化學原料，具有多種用途。主要包括：
塗料、塑膠、樹脂和纖維的生產。二元酸二甲酯因其分子結構中的雙甲酯化基團和羧基，具有出色的聚合反應能力，廣泛用於製造塗料、塑膠、樹脂和纖維等。例如，它可以用於生產聚酯樹脂，這種樹脂進一步套用於塗料、油漆、粘合劑等行業。
催化劑、化學藥品和生物醫藥的製備。二元酸二甲酯可作為某些催化劑的原料或中間體，用於製備苯基膦酸鈉催化劑、抗生素、糖尿病治療藥物等。
聚合物材料的合成。在化工領域，它可以用於合成聚醯胺樹脂、聚氨酯泡沫材料、聚醯亞胺薄膜等高性能聚合物材料，這些材料在電子、汽車、建築等領域有廣泛套用。
香料、染料和螢光增白劑的合成。在日化、紡織等領域有廣泛的套用。
醫藥領域。它可以用於合成多種藥物中間體，如抗癌藥物、抗生素、抗病毒藥物等，其中一些藥物中間體可用於合成紫杉醇類化合物等抗癌藥物。
農藥領域。它可以用於合成多種高效低毒的農藥中間體，如苯甲酸類、醯胺類等，這些中間體進一步用於合成殺蟲劑、殺菌劑、除草劑等。
此外，二元酸二甲酯還用於製造增塑劑、潛水用海水處理劑、助劑等。在塗料行業，它主要用作高沸點溶劑，用於烘烤型合成樹脂塗料、高溫快乾卷鋼塗料、板材塗料和罐頭內外壁塗料。此外，它還廣泛套用於汽車塗料中，可使中塗和面漆漆膜達到理想的光澤和光滑度。