D-纈氨酸由于其自身的生化特性，可用于合成新型高效農藥擬除蟲菊酯和氯氟戊菊酯，由其制得的纈氨酸殺蟲菊酯是一類廣譜的很有發展前景的殺蟲殺螨劑，具有能抑制昆蟲酶系統活性而起到觸殺和胃毒作用，能有效地防治棉花、果樹、蔬菜等作物的包括鱗翅目和雙翅目等在內的主要害蟲。

D-纈氨酸也廣泛應用于生物醫學研究中，如可用于抑制纖維細胞的生長、應用于影響肺動脈內皮細胞的形態和功能研究。D-纈氨酸也是重要的手性藥物原料，如可用于合成抗腫瘤藥物和抗糖尿病及其并發癥藥物。

隨著D-纈氨酸應用領域的拓展和市場需求的擴大，D-纈氨酸制備研究將成為氨基酸研究熱點之一。

D-纈氨酸是一種重要的有機手性源，主要應用于手性藥物、手性添加劑、手性助劑等領域，在制藥行業作為手性合成的手性源。作為一種光學活性的有機酸，在某些手性化合物的不對稱合成過程中具有不可替代的作用，目前主要用于生產新型廣譜抗生素、D-纈氨醇、多肽合成過程的纈氨酸保護劑。