生物分子标记：荧光物质如荧光蛋白（GFP）和各种有机荧光染料常用于标记特定蛋白质、核酸等生物大分子。这种标记技术使得研究人员能够在细胞内或组织中追踪这些分子的位置和运动。
细胞结构与功能分析：荧光标记技术可以用于研究细胞器的结构与功能，例如用不同颜色的荧光探针对线粒体、内质网等进行标记，观察它们在细胞内的分布和相互作用。
细胞动态过程观察：通过荧光标记技术，研究人员能够实时观察和记录细胞分裂、迁移、凋亡等动态过程，为深入研究细胞生理和病理提供直观的实验依据。
蛋白质-蛋白质相互作用检测：利用荧光共振能量转移（FRET）技术，可以检测两种蛋白质之间是否存在相互作用。FRET是基于荧光能量从供体转移到受体的原理，如果两个荧光标记的蛋白足够接近，将会发生能量转移，从而改变荧光信号。
基因表达分析：将荧光蛋白基因与目标基因融合，可以通过观察荧光来监测和定量基因表达的水平。这种方法在转基因植物和动物研究中尤其重要。
生物成像应用：荧光探针广泛应用于生物成像，包括细胞成像、体内生化反应过程跟踪、疾病生物标志物监测等。与传统的成像技术相比，荧光探针具有实时成像、深度可视化、对样本损伤小等优点。
临床诊断和治疗：某些荧光染料可以用于肿瘤的早期诊断和定位，通过荧光成像技术可以清晰地观察到肿瘤细胞的位置和边界。荧光标记技术还可用于制造荧光标记的药物，以实现精准治疗。