主要用作有机合成中的碱、催化剂、溶剂和原料，也用作高能燃料、橡胶硫化促进剂、四氟乙烯的阻聚剂、表面活性剂、润湿剂、防腐剂及杀菌剂。

三乙胺是在室温下为液体的最简单的均三取代叔胺，因此在有机合成中被广泛用作溶剂和碱使用，一般缩写为Et3N、NEt3或TEA。它是有机合成中最常用的有机碱之一，沸点89摄氏度左右，比较容易通过蒸馏除去。

其盐酸盐和氢溴酸盐在乙醚等有机溶剂中的溶解度也不是很高，因此有时可直接通过过滤分离。更简单的三甲胺在通常条件下则为无色气体，必须加压在储气罐中储存或以40％水溶液的形式储存，不如三乙胺容易使用。

三乙胺可用作Swern氧化反应、脱卤化氢反应等消除反应、Heck反应、硅烯醇醚的制取反应、由酰氯制取酯和酰胺的反应中，以及给羟基、羧基和氨基上保护基时的碱性催化剂。它与盐酸反应可以得到三乙胺盐酸盐，与烷基化试剂反应可得相应的季铵盐。

三乙胺与不饱和酰氯/酸酐会产生水溶性、具有生物毒性的共轭复合物，特别是生物材料的合成，此反应会对后续的细胞实验产生显著影响。

最近被报道这种复合物会对由不饱和酰氯/酸酐与高分子端羟基缩合得到的可交联聚酯产生染色效应。无机弱碱如碳酸钾被建议用来取代三乙胺在此类反应的催化剂作用，这种方法同时可以简化产物的纯化步骤。