آلیاژ مولیبدن یک آلیاژ غیر آهنی است که از مولیبدن به عنوان ماتریس و افزودن عناصر دیگر تشکیل شده است. عناصر آلیاژی اصلی عبارتند از تیتانیوم، زیرکونیوم، هافنیوم، تنگستن و عناصر خاکی کمیاب. عناصر تیتانیوم، زیرکونیوم و هافنیوم نه تنها نقش تقویت کننده محلول جامد را در آلیاژ مولیبدن ایفا می کنند و انعطاف پذیری در دمای پایین آلیاژ را حفظ می کنند، بلکه یک فاز کاربید پایدار و پراکنده را برای بهبود استحکام و دمای تبلور مجدد آلیاژ تشکیل می دهند. آلیاژ مولیبدن دارای هدایت حرارتی خوب، هدایت الکتریکی و ضریب انبساط کم است و در دمای بالا (1100 ~ 1650 درجه) استحکام بالایی دارد که پردازش آن آسان تر از تنگستن است. می توان از آن به عنوان دروازه و آند برای لوله های الکترونی، مواد پشتیبانی کننده برای منابع نور الکتریکی، و برای ساخت قالب های ریخته گری و اکستروژن، قطعات فضاپیما و غیره استفاده کرد. زیرا آلیاژهای مولیبدن در دماهای پایین ترد و در جوشکاری شکننده هستند. به راحتی در دماهای بالا اکسید می شوند، توسعه آنها محدود است. آلیاژهای مولیبدن تولید شده به صورت صنعتی شامل آلیاژهای مولیبدن-تیتانیوم-زیرکونیوم، مولیبدن- تنگستن و آلیاژهای خاکی کمیاب مولیبدن هستند و نوع اول بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. روش های اصلی استحکام بخشی آلیاژهای مولیبدن عبارتند از تقویت محلول، تقویت بارشی و سخت کاری. صفحات، نوارها، فویلها، لولهها، میلهها، سیمها و پروفیلهای آلیاژ مولیبدن را میتوان از طریق پردازش پلاستیک تهیه کرد و استحکام و انعطاف پذیری در دمای پایین را نیز بهبود بخشید.
در میان فلزات نسوز، مولیبدن و آلیاژهای آن دارای رسانایی حرارتی خوب، هدایت الکتریکی و ضریب انبساط پایین (مشابه شیشه ای که برای لوله ها استفاده می شود)، استحکام بالایی در دماهای بالا (1100 تا 1650 درجه) دارند و در مقایسه با تنگستن به راحتی پردازش می شوند. بنابراین از آنها در بخش تولید لوله های الکترونی (دروازه و آند)، منبع نور الکتریکی (مواد پشتیبانی)، ابزارهای پردازش فلز (دایکاست و اکستروژن قالب ها و سرهای سوراخ دار) و صنعت هوافضا استفاده می شود. مولیبدن در برابر فرسایش شیشه مذاب مقاوم است و اکسیدهای آن شیشه را آلوده نمی کند. از سال 1943، مولیبدن در صنعت شیشه به عنوان الکترود گرمایش مورد استفاده قرار گرفت. آلیاژ Mo{4}W دارای مقاومت عالی در برابر خوردگی مذاب روی است و با موفقیت در صنعت ذوب روی استفاده شده است. همچنین از مولیبدن در ساخت قطعاتی مانند مبدل های حرارتی و شیرها در تولید اسید سولفوریک استفاده می شود.