La sostanza è usata nella produzione di catalizzatori, come intermedio nella produzione di prodotti chimici per il trattamento delle superfici dei metalli, per smalti (tintura blu), vernici industriali, pigmenti, prodotti chimici per il trattamento dell'acqua, additivi per lubrificanti, lubrificanti e grassi, come intermedio per la riduzione a biossido di molibdeno nella produzione di acciaio e leghe e nella produzione di polveri di acciaio e di leghe.
Ricerche recenti indicano che il suo utilizzo può aumentare in questi ultimi anni grazie alle sue interessanti proprietà nelle nuove tecnologie, ad esempio: raccolta e conservazione dell'energia solare, e attività biocida su superfici di materiali. Alcune applicazioni (catalizzatore, rivestimenti e ceramiche) sono facilitate dall'uso del triossido di molibdeno nella forma di nanoparticelle o nanotubi in combinazione con altri composti di molibdeno.