偏光顯微鏡在物理化學中被用于方位角旋轉(zhuǎn)的測定和雙折射介質(zhì)中相位差的測定。而它的zui的定量應(yīng)用是在礦物學和巖石學中光軸的準確斷定，在雙折射基礎(chǔ)上晶體的鑒定是巖石學和礦物學中大量的、經(jīng)常的工作。而在生物學和醫(yī)學中偏光顯微鏡被廣泛應(yīng)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(zhì)在生物學中也很少發(fā)現(xiàn)。

    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(jié)構(gòu)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(zhì)在應(yīng)用其他技術(shù)測定之前，已經(jīng)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(jīng)看到的神經(jīng)周圍由脂類和蛋白質(zhì)組成的髓鞘的可變雙分子膜層結(jié)構(gòu)，現(xiàn)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(jīng)細胞切片時，在常規(guī)顯微鏡下不明顯的細胞間神經(jīng)纖維的雙折射髓鞘變得十分明顯。

    對于具有晶體構(gòu)造的生物學材料，例如淀粉粒，應(yīng)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(zhì)(起因于紡錘絲微管中蛋白質(zhì)分子的定向排列)．已經(jīng)在很大程度上被用來研究細胞在不同分裂時期結(jié)構(gòu)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(nèi)耳平衡器中的聽石，就會顯示出清晰的偏振光效應(yīng)，下圖為老鼠胚胎內(nèi)耳平衡器中的聽石切片。