氢气作为一种能源载体，可以通过多种方式转化为有用的能源形式，包括在各种发动机中作为燃料直接燃烧产生动力，在各类炉具中燃烧产生热量，通过电化学转化产生电能，以及通过与金属等物质结合转化为化学能等。
氢气作为燃料的历史已经非常悠久。早在第二次世界大战期间，液氢作为推进剂用于火箭发动机上；1970年阿波罗号飞船登月，也是用液态氢作为燃料。氢具有自重轻、热值高、零排放的特点，这对于航天燃料显然是非常有利的性质。同样的，在民用客机上，氢也可以说是最清洁、最经济的选择。2020年9月，美国ZeroAvia航空公司改造的一架六座飞机在英国成功完成试飞，这是全球第一架商用氢燃料飞机；空客公司也在同期发布了三架搭载氢燃料推进系统的零排放概念机，预计到2035年，人们便可感受到全新的搭乘体验了。自20世纪70年代以来，德国、美国、日本、中国等纷纷加入了研发氢内燃机的行列，德国宝马公司在2007年推出了首款家用氢动力汽车Hydrogen7，虽然普及度并不高，但也让汽车公司看到了氢燃料用于家用车的广阔前景。
氢燃料电池技术具有清洁、稳定、效率高的特性，随着技术的不断成熟而得到日益广泛的认可，非常适用于建造大、中型电站和分布式电站。对于电网的削峰填谷和消纳风、光等可再生能源的不稳定电力，氢燃料电池是非常好的解决方案，还可以进行余热回收实现冷热电三联供（CCHP），进一步提高能源利用效率。氢燃料电池在交通运输领域的应用也得到推广，与电动汽车相比，燃料电池作为供能系统能够实现更长的续航、更短的“补给”时间，并且实现零排放。在大型长途重卡、中型货车/轻卡、叉车、大客车、城市公共汽车等领域具有较强竞争力，未来需求也会逐渐转向家用。丰田在2014年已经推出了氢燃料电池汽车——Mirai，日语中是“未来”的意思，承载着氢能扛起未来重任的美好希冀。
氢气还是重要的化工原料和工业保护气，在合成氨、石油炼制、精细化工等领域的应用早已成熟，在冶金、电子等行业也有一定的应用。当前，氢气最大的用户是合成氨工业，超过全球总用氢量的60％，在中国这个比例更高，达到80％以上。由于市场早已进入稳定的状态，合成氨工业对氢气的需求也已呈现相对稳定的状态。而石油行业的氢气需求在迅速增加，随着环保要求日益严格，汽油、煤油、柴油及润滑油的质量指标大幅度提高，炼油过程需要使用更多的氢气进行加氢裂化、加氢精制来改善油品质量。精细化工领域采用加氢工艺的有很多，其中以胺类物质和脂肪醇为主，另外还有部分食用油脂的生产也需要用到加氢工艺。
在电子工业中，由于氢气在高温条件下可以吸收痕量（极微小的量）的氧，保护作用比通常的惰性气体更好，因此作为热处理气氛气和过程气被广泛使用。氢气还是特别出色的还原剂，在钢铁行业有上佳表现，可以参与钢铁、铜、钴、镍等金属冶炼，大幅降低工艺过程的碳排放。
随着“双碳”目标的实施与推进，氢可在更多领域大显神通，如大多数公路运输、简单循环燃氢轮机、燃氢锅炉和工业供热、燃料电池发电支持电力系统平衡、天然气管网掺氢、石化与化工领域等场景。氢将成为全球资源与能源结构的重要组成部分，对实现碳中和具有重要意义。