目前，热电制冷器广泛应用于航空航天、军事、通信、遥感遥测、医疗、空调、冷冻冷藏等各领域。对于使用条件要求严格、对温度变化反应敏感的电子元器件，可以用热电制冷器来提供恒定的低温工作条件。
为实验设备提供冷源是热电制冷器最广泛的应用领域，在冰点仪、露点仪、黏度仪、絮点仪等实验设备中都可以用热电制冷器制冷，图8-6为一种用于油品凝点检测仪器的热电制冷器。
红外探测仪在常温下工作时，由于被接收信号与环境背景相差很小，且元件的时间常数较大，工作性能很差。如在低温下工作，加大了被接收信号与接收元件周围环境的波长差异，可获得较高的信噪比、提高了探测灵敏度。例如硫化铅、硒化铅红外探测仪，在-78℃温度下工作时，与-20℃相比，探测灵敏度提高了一个数量级。用一台四级热电制冷器在真空条件下供冷，输入10w功率，可达到-95℃的低温，而制冷器连同散热器、电风扇加在一起，重量仅750g，体积仅300cm³。
砷化铟红外探测仪在-57℃下工作时，与-20℃相比，探测灵敏度提高了一个数量级，在-78℃下工作时，探测灵敏度较-20℃下工作时提高了两个数量级。所需制冷量为2W以下，用三级或四级热电制冷器即可满足要求。
热电制冷在医疗中的应用非常广泛，其发展前景十分可观。带有热电制冷器的手术刀与消耗卤代烃制冷的手术刀相比，具有装置总体积小、重量轻、使用成本低的优点，目前热电制冷切片刀与切片台、凉帽、凉枕等已广泛应用，用热电制冷器配合小型蒸汽压缩式制冷机的深冷医疗设备也已出现。
用热电制冷器制冷的小型冰箱，目前在世界上很受欢迎。容积为2~8L的小型热电制冷恒温冰箱可用于保存血液、精液、卵子、疫苗和药品等，是医疗和畜牧业的必备装备。容积为20L左右的热电制冷便携式冰箱，可装在汽车、坦克和装甲运兵车上，为旅游或军队沙漠作战提供了方便。
用热电制冷器制冷的空调器可用于振动剧烈的场合，也用于要求非常安静的场所，还可用于电子装置内部。
