Chlorowodorek hydroksyloaminy jest stosowany w syntezie organicznej do otrzymywania oksymów i kwasów hydroksamowych z kwasów karboksylowych, N- i O-podstawionych hydroksyamin oraz w reakcjach addycji podwójnego wiązania węgiel-węgiel.

Podczas ekstrakcji ligniny z biomasy lignocelulozowej metodą bromku acetylu, Chlorowodorek hydroksyloaminy może być stosowany do usuwania bromu i polibromku z roztworu.

W obróbce powierzchni jest stosowany do przygotowania środków zapobiegających kożuszeniu, inhibitorów korozji i dodatków czyszczących. Jest również materiałem wyjściowym do produkcji farmaceutyków i agrochemikaliów. 

W przemyśle gumowym i tworzyw sztucznych jest przeciwutleniaczem, przyspieszaczem wulkanizacji i zmiataczem rodników.

Jest również stosowany jako utrwalacz barwników tekstylnych, pomocniczy w niektórych procesach barwienia, jako pomoc w ekstrakcji metali i flotacji, jako przeciwutleniacz w kwasach tłuszczowych i mydłach oraz jako stabilizator koloru i dodatek do emulsji w foliach kolorowych.