目前，熱電制冷器廣泛應用于航空航天、軍事、通信、遙感遙測、醫療、空調、冷凍冷藏等各領域。對于使用條件要求嚴格、對溫度變化反應敏感的電子元器件，可以用熱電制冷器來提供恒定的低溫工作條件。

為實驗設備提供冷源是熱電制冷器最廣泛的應用領域，在冰點儀、露點儀、黏度儀、絮點儀等實驗設備中都可以用熱電制冷器制冷，圖8-6為一種用于油品凝點檢測儀器的熱電制冷器。

紅外探測儀在常溫下工作時，由于被接收信號與環境背景相差很小，且元件的時間常數較大，工作性能很差。如在低溫下工作，加大了被接收信號與接收元件周圍環境的波長差異，可獲得較高的信噪比、提高了探測靈敏度。例如硫化鉛、硒化鉛紅外探測儀，在-78℃溫度下工作時，與-20℃相比，探測靈敏度提高了一個數量級。用一臺四級熱電制冷器在真空條件下供冷，輸入10w功率，可達到-95℃的低溫，而制冷器連同散熱器、電風扇加在一起，重量僅750g，體積僅300cm3。

砷化銦紅外探測儀在-57℃下工作時，與-20℃相比，探測靈敏度提高了一個數量級，在-78℃下工作時，探測靈敏度較-20℃下工作時提高了兩個數量級。所需制冷量為2W以下，用三級或四級熱電制冷器即可滿足要求。

熱電制冷在醫療中的應用非常廣泛，其發展前景十分可觀。帶有熱電制冷器的手術刀與消耗鹵代烴制冷的手術刀相比，具有裝置總體積小、重量輕、使用成本低的優點，目前熱電制冷切片刀與切片臺、涼帽、涼枕等已廣泛應用，用熱電制冷器配合小型蒸汽壓縮式制冷機的深冷醫療設備也已出現。

用熱電制冷器制冷的小型冰箱，目前在世界上很受歡迎。容積為2~8L的小型熱電制冷恒溫冰箱可用于保存血液、精液、卵子、疫苗和藥品等，是醫療和畜牧業的必備裝備。容積為20L左右的熱電制冷便攜式冰箱，可裝在汽車、坦克和裝甲運兵車上，為旅游或軍隊沙漠作戰提供了方便。

用熱電制冷器制冷的空調器可用于振動劇烈的場合，也用于要求非常安靜的場所，還可用于電子裝置內部。