三甲基氯硅烷在有机化学中有很广泛的用途，既可作为三甲基硅基的来源，也可在无水情况下提供氯离子。

醇、胺、羧酸和金属炔化物与三甲基氯硅烷迅速反应，分别生成三甲基硅醚、三甲基硅基胺类、三甲硅基酯和三甲硅基炔烃，可用于保护相应的官能团。用三甲基氯硅烷保护羟基的反应一般在三级胺中进行。保护后的化合物可通过与氟离子作用而脱去保护基。三甲硅基对酸是不稳定的，并且三甲硅基的引入会使化合物的挥发性增强，使得某些生化样品更易被质谱和气相色谱分析。