毫米波的潛在應用，包括毫米波成像（mm-wave imaging）、亞太赫茲（sub-THz）化學探測器，以及在天文學、化學、物理、醫學和安全方面的應用。
重要頻率包括90GHz、140GHz，以及300GHz以上或者叫做THz區域。60GHz頻帶由於氧氣的吸收，使得它適合於短距離網絡應用。而其他的頻帶，如90GHz是長距離成像的理想選擇。
1、汽車雷達
成像領域的一個很重要的應用是工作於24GHz和77GHz的汽車雷達。今天僅有非常奢侈的汽車裝備了毫米波雷達技術。該技術可以在低能見度情況下幫助汽車駕駛，尤其是大霧的天氣，以及自動巡航控制和甚至未來高速公路的自動駕駛。
2、用於醫學應用的毫米波成像
毫米波技術的另一個潛在應用是無源毫米波成像（passivemm-wave imaging）。僅通過檢測物體在毫米波頻帶的熱量輻射，物體的圖像就可以像光學系統一樣呈現出來。需要或者是一組接收機或者是移動的終端天線來不停地掃描感興趣的區域。
3、高清視頻的無線傳輸
NEC、三星、松下和LG等消費類電子廠商共同成立了WirelessHD聯盟來推動60GHz技術在無壓縮高清視頻傳輸中的應用。
4、在電子對抗中的應用
軍事上的需要是推動毫米波系統發展的重要因素。目前, 毫米波在雷達、制導、戰術和戰略通信、電子對抗、遙感、輻射測量等方面得到了廣泛應用。其中戰略通信與電子對抗是非常重要的應用方向。
電子對抗中要求通信設備必須具有很強的抗幹擾能力, 而毫米波在這方面表現出明顯的優勢。例如, 選擇 60GHz、 120GHz、 200GHz 三個「衰減峰」頻段上的艦對艦的毫米波通信, 利用這些頻段上信號嚴重衰減的特點, 可極大提高艦對艦之間通信的抗幹擾和抗截獲能力。
現役的多數雷達偵察、告警系統的頻率覆蓋範圍均已擴展到0.5GHz～40GHz。據報導, 美國的電子對抗設備中部分雷達偵察設備頻率可達到110GHz, 正在向 300GHz 發展。雷達告警設備頻率已擴展到 40GHz～60GHz, 北約正研製一種車載毫米波告警設備, 頻段為 40GHz～140GHz。此外, 通信偵察頻段覆蓋10GHz 毫米波段, 通信幹擾部分40GHz以下已實用化, 正在向 110GHz 發展。在毫米波段還可以利用隱身技術。在對付有源毫米波雷達時, 同在微波波段一樣, 可以採用減小雷達截面的外形設計, 或者在表面塗敷鐵氧體等毫米波吸收材料, 以減小反射波的強度。對於通過檢測金屬目標的低毫米波輻射與背景輻射之間的反差來跟蹤目標的無源雷達, 則要在目標表面塗敷毫米波輻射較強的偽裝物, 使其輻射和背景輻射基本相等, 從而使目標融合於背景中。
總之，毫米波通信應用於軍事上是非常必要和有重大意義的, 是很有發展前途的通信手段，具有波束窄、數據率高、電波隱蔽、保密和抗幹擾性能好、開設迅速、使用方便靈活以及全天候工作的特點。
其他的毫米波技術應用還包括腫瘤檢測的醫學成像，溫度測量，血液循環和水分、氧分測量。在過去的二十年裡，這些應用都被強烈地探索著，但是，大部分研究停止或放棄了，原因在於這些傳統的系統競爭不過已經存在的MRI或者X射線CAT掃描系統。由于波長太長，這些系統的精度很差。隨著矽技術允許大量的接收機陣列被低成本地實現在一塊小面積上，我們相信這些應用會重新出現。而且隨著頻率被推到更高頻點，如100GHz以上，波長變得更小，還將出現新的應用領域。