微波的最重要的應用在軍事和通信方面。軍事應用主要是雷達和制導，最新的應用還包括微波武器（微波炸彈），它是具有軟殺傷力的戰場武器。微波在工農業生產、科學研究、醫學、生物學及日常生活等方面都有應用，主要用於測量、檢測和對物質的加熱和處理。
用於測量時，測量儀器發出的微波照射到被測物體上，通過接收透過或反射的微波獲取被測物體的溫度、濕度、厚度、長度及速度等非電量資訊，也可用於於檢測和探傷。測量中使用的功率很弱，不會造成被測物體損傷，是一種非接觸式的無損測量。
微波遙感是一種有效的地球資源普查手段，可獲得大面積的地形地貌、森林及作物生長，海面海況等信息，也是一種災害監測手段。與光學及紅外遙感相比，微波遙感具有全天候的優點，但由於波長較長，圖像的空間分辨率較低。
物質在微波頻率存在損耗，會將物質內的微波能量轉化為熱，對物質產生加熱作用。具有固有分子電偶極矩的電介質（稱為極性分子）的極化弛豫損耗頻率響應曲線的峰處於微波波段，微波對此類電介質的加熱特別有效。水是典型的有強固有電偶極矩的極性分子，食物大多富含水分，用微波爐烹調食物可獲得特殊的效果。醫學上則用微波的加熱作用殺死癌細胞治療腫瘤。