Ze względu na długość fal materii, porównywalną z rozmiarami atomów, neutrony termiczne są wykorzystywane do określania struktury krystalicznej związków (neutronografia strukturalna). Neutrony termiczne są wykorzystywane także w reaktorach jądrowych. Otóż efektywność reakcji łańcuchowych jest większa w przypadku neutronów termicznych niż w przypadku neutronów o wyższych energiach. Przykładowo, dla nuklidu ²³⁵U, reakcja ta jest prawie 150 razy efektywniejsza niż dla neutronów o energii 10 keV. Neutrony przed wprowadzeniem do materiału rozszczepialnego, spowalnia się przepuszczając przez tzw. moderator, gdzie wytracją prędkość w trakcie sprężystych rozproszeń na jądrach (najczęściej są to jądra lekkie).