偏光顯微鏡在物理化學中被用于方位角旋轉的測定和雙折射介質中相位差的測定。而它的zui的定量應用是在礦物學和巖石學中光軸的準確斷定，在雙折射基礎上晶體的鑒定是巖石學和礦物學中大量的、經常的工作。而在生物學和醫學中偏光顯微鏡被廣泛應用的可能性是比較小的，部分是因為生物學標本的各向異性比起無機物標本是比較小的。另外，具有多于一個光軸的物質在生物學中也很少發現。

    在生物體中，不同的纖維蛋白，例如膠原蛋白、彈力纖維(在—定的條件下)、張力纖維和肌肉中的肌原纖維等結構顯示出明顯的各向異性，它們都具有在長軸上的雙折射性。這些蛋白質在應用其他技術測定之前，已經使用偏光顯微鏡得到了在這些纖維中分子排列的詳細情況。同樣，用電子顯微鏡已經看到的神經周圍由脂類和蛋白質組成的髓鞘的可變雙分子膜層結構，現在已用偏光顯微鏡非常地證實了，采用部分交叉的棱鏡觀察蘇木精染色的人延髓神經細胞切片時，在常規顯微鏡下不明顯的細胞間神經纖維的雙折射髓鞘變得十分明顯。

    對于具有晶體構造的生物學材料，例如淀粉粒，應用偏光顯微鏡也可以進行觀察。同時，利用偏光顯微鏡還可以研究動物和植物的活體細胞，zui近紡錘絲的比較微弱的雙折射性質(起因于紡錘絲微管中蛋白質分子的定向排列)．已經在很大程度上被用來研究細胞在不同分裂時期結構上的定性和定量變化，并且使用具有高消光值的偏振棱鏡和較強的光源，用縮時攝影可以記錄分裂周期中紡錘體的變化。在一些特殊的生物學材料中，例如具有高雙折射的內耳平衡器中的聽石，就會顯示出清晰的偏振光效應，下圖為老鼠胚胎內耳平衡器中的聽石切片。