Sơ đồ phép lai FISH (lai huỳnh quang tại chỗ) cho thấy kỹ thuật này rất hữu ích để xác định vị trí gen hoặc bất thường nhiễm sắc thể.A: Đoạn DNA kép. B: Đánh dấu huỳnh quang. C: Lai nghiêm ngặt. D: Điểm phát huỳnh quang (màu đỏ) hiện rõ trên nhiễm sắc thể ở tế bào, báo rõ vị trí của đoạn DNA lai.

Lai axit nuclêic được vận dụng nhiều trong nghiên cứu của di truyền phân tử cũng như sinh học phân tử và nghiên cứu dược phẩm.[3][9][10]

• Vận dụng để xác định quan hệ họ hàng giữa hai loài: hai loài sinh vật có quan hệ họ hàng càng gần thì trình tự nuclêôtit giống nhau càng nhiều,[11] do đó lai hai DNA khác nhau thường tạo ra phân tử DNA lai khá nghiêm ngặt, phát hiện qua ảnh phóng xạ tự chụp hoặc kỹ thuật đọc huỳnh quang. Chẳng hạn phép lai DNA-DNA đã được dùng như phương pháp chính để phân biệt các loài vi khuẩn, khoảng 70 - 79% trở lên các cặp base được liên kết với nhau trong DNA lai sẽ chỉ ra rằng các chủng thuộc cùng loài.[12][13][14] Nếu kết quả ngược lại (khoảng 70 - 79% trở xuống là khác nhau) thì có thể khác loài.[15][16]
• Sử dụng để phát hiện và cô lập các trình tự nuclêôtit cụ thể, đo lường tương đồng hoặc xác định các đặc điểm khác của một hoặc cả hai chuỗi.
• Sử dụng để tìm kiếm vị trí phiên mã cụ thể trên nhiễm sắc thể, cũng tức là xác định gen cấu trúc cụ thể thông qua phân tích huỳnh quang trong phép lai huỳnh quang tại chỗ (fluorescent in situ hybridization) viết tắt là FISH.
• Trong xét nghiệm pháp y, sử dụng phương pháp lai này để xác định nguồn gốc của mẫu DNA, kết hợp với sử dụng PCR (phản ứng chuỗi pôlymêraza).
• Lai chuỗi đơn DNA ngắn với các mRNA nhằm xác định các biểu hiện gen.
• Một số công ty dược phẩm đang khám phá việc sử dụng RNA đối nghĩa (RNA antisense) để lai RNA với mRNA không mong muốn, nhằm ngăn cản ribôxôm của vi khuẩn tổng hợp nên prôtêin có hại.
• Định vị gen trên nhiễm sắc thể (công trình khởi nguồn nhờ Joseph Gall và Mary Lou Pardue vào những năm 1960) nhờ lai theo phương thức lai tại chỗ (in situ hybridization, viết tắt là ISH).
• Ứng dụng trong phương pháp thấm Southern (Sourthern blot) và phương pháp thấm Northern nhằm:

- Lập bản đồ giới hạn của một gen.

- Phát hiện các đa dạng trình tự của cùng một gen ở các chủng hay các cá thể khác nhau qua sự so sánh bản đồ giới hạn của chúng.

- Phát hiện các đột biến mất đoạn, đột biến điểm hay tái tổ hợp trên vì chúng làm thay đổi bản đồ giới hạn.