Questa tecnologia ha applicazioni in numerosi campi, tra cui la biologia molecolare, la patologia, l'immunologia, la biologia vegetale e la biologia marina. Ha una vasta applicazione in medicina, soprattutto nei trapianti, ematologia, immunologia e chemioterapia dei tumori, diagnosi prenatale, genetica e selezione dello sperma per la preselezione del sesso. Inoltre, è ampiamente utilizzato nella ricerca per il rilevamento del danno al DNA, del clivaggio della caspasi e dell'apoptosi cellulare. Nella neuroscienza è anche possibile analizzare la co-espressione di antigeni sulla superficie cellulare e di antigeni intracellulari. Nella biologia marina, le proprietà autofluorescenti del plancton fotosintetico possono essere sfruttate dalla citometria a flusso per caratterizzare l'abbondanza e la struttura della comunità. Nell'ingegneria delle proteine (proteomica), la citometria a flusso viene utilizzata in congiunzione con lo "yeast display" e il "bacterial display" per identificare le varianti proteiche della superficie cellulare.