La compréhension des phénomènes de diffusion est très importante notamment pour le secteur médical : la majorité des techniques d'imagerie médicale utilise la diffusion. On peut également envisager des applications militaires (détection de tanks dans une jungle humide, etc.). Enfin, plusieurs techniques de spectroscopie (ou « spectrométrie ») utilisent les principes de la diffusion.
Le domaine le plus courant d'utilisation de la diffusion est sa composante rétrodiffusée. Le lidar, le radar et le sonar utilisent tous la propriété qu'ont les cibles de renvoyer une partie de l'énergie incidente vers l'émetteur du signal ou un récepteur secondaire. En général, on utilisera la plage de la diffusion de Rayleigh pour obtenir une proportionnalité entre le signal incident et le retour.
On utilise également la rétrodiffusion dans les guides d'ondes et les fibres optiques afin de détecter des défauts de fabrication. En effet, la diffusion de Rayleigh atténue graduellement le signal dans la direction de propagation et les imperfections vont renvoyer une importante partie de celui-ci vers la source. En mesurant le retour, on peut calculer les pertes dans le guide ou la fibre sans avoir à le couper pour introduire un appareil qui mesure les pertes directement la différence de signal depuis l'émetteur.
La diffusion est ainsi, avec l'absorption, la principale cause de l'affaiblissement de la lumière lors de sa propagation. Lors d'une réflexion, la diffusion atténue la réflexion spéculaire de la lumière, tandis qu'elle provoque une ouverture angulaire des faisceaux.