在医药领域，L-脯氨酸是临床复方类输液的重要氨基酸之一，主要用于蛋白质缺乏症、严重肠胃道疾患、烫伤、外科手术后的蛋白质补充和营养不良。此外还可以作为药物合成的前体小分子氨基酸，1980 年由上海医药工业研究院首先成功研制成巯甲丙脯氨酸   (Captiopril)，是治疗顽固性高血压和充血性心力衰竭的原料药物；1984 年西德上市的第二代抗高血压药物—ACEI-血管紧张素转化酶抑制剂，该药的主要成分为：苯丁酯丙脯酸，具有疗效高、作用时间长、副作用小的显著效果；1985 年中国科学院生物化学研究所用 L-脯氨酸作为前体，分别合成了异亮氨酸-脯氨酸-脯氨酸、异亮氨酸-L-丙氨酸-脯氨酸、谷氨酸-丙氨酸-脯氨酸及异亮氨酸-D-丙氨酸-脯氨酸等氨基酸类药物，均具有抑制血管收缩的功效。近年来，L-脯氨酸作为药物合成的前体及中间体，得到了广泛的应用，并逐渐使用在新药的研发上。L-羟脯氨酸是组织中胶原蛋白特殊的氨基酸，对胶原蛋白的稳定起关键性作用，在抗骨质疏松、改善关节健康、皮肤的抗皱保湿方面有良好的应用。在生物体内 L-羟脯氨酸主要是由 L-脯氨酸羟化获得，因此 L-脯氨酸作为 L-羟脯氨酸合成前体，随着 L-羟脯氨酸在医药和化妆品行业的广泛应用，L-脯氨酸的需求也与日递增。

       L-脯氨酸与糖共热发生氨基-羧基反应，可生成特殊的香味物质，按我国 GB 2760-86 规定，L-脯氨酸可用作食用香料添加剂。