โลหะผสมโมลิบดีนัมเป็นโลหะผสมที่ไม่ใช่เหล็กซึ่งประกอบด้วยโมลิบดีนัมเป็นเมทริกซ์และเพิ่มธาตุอื่น ๆ ธาตุโลหะผสมหลัก ได้แก่ ไททาเนียม เซอร์โคเนียม แฮฟเนียม ทังสเตน และธาตุหายาก ธาตุไททาเนียม เซอร์โคเนียม และแฮฟเนียมไม่เพียงแต่มีบทบาทในการเสริมความแข็งแรงของสารละลายในโลหะผสมโมลิบดีนัมและรักษาความเป็นพลาสติกที่อุณหภูมิต่ำของโลหะผสมเท่านั้น แต่ยังสร้างเฟสคาร์ไบด์ที่เสถียรและกระจายตัวแบบกระจายเพื่อเพิ่มความแข็งแรงและอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของโลหะผสมอีกด้วย โลหะผสมโมลิบดีนัมมีการนำความร้อนที่ดี การนำไฟฟ้า และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ และมีความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูง (1100~1650 องศา) ซึ่งง่ายกว่าในการแปรรูปมากกว่าทังสเตน สามารถใช้เป็นเกตและขั้วบวกสำหรับหลอดอิเล็กตรอน วัสดุรองรับสำหรับแหล่งกำเนิดแสงไฟฟ้า และสำหรับทำแม่พิมพ์หล่อและอัดขึ้นรูป ชิ้นส่วนยานอวกาศ ฯลฯ เนื่องจากโลหะผสมโมลิบดีนัมเปราะที่อุณหภูมิต่ำและเปราะในการเชื่อม และออกซิไดซ์ได้ง่ายที่อุณหภูมิสูง การพัฒนาจึงมีจำกัด โลหะผสมโมลิบดีนัมที่ผลิตในอุตสาหกรรม ได้แก่ โมลิบดีนัม-ไททาเนียม-เซอร์โคเนียม โมลิบดีนัม-ทังสเตน และโลหะผสมโมลิบดีนัมแรร์เอิร์ธ และประเภทแรกใช้กันอย่างแพร่หลาย วิธีการเสริมความแข็งแรงหลักของโลหะผสมโมลิบดีนัม ได้แก่ การเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลาย การเสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอน และการชุบแข็งด้วยการทำงาน แผ่นโลหะผสมโมลิบดีนัม แถบ แผ่นฟอยล์ ท่อ แท่ง ลวด และโปรไฟล์สามารถเตรียมได้ผ่านการแปรรูปพลาสติก และยังสามารถปรับปรุงความแข็งแรงและความเป็นพลาสติกที่อุณหภูมิต่ำได้อีกด้วย
ในบรรดาโลหะทนไฟ โมลิบดีนัมและโลหะผสมของโมลิบดีนัมมีคุณสมบัติการนำความร้อนที่ดี การนำไฟฟ้า และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ (คล้ายกับแก้วที่ใช้ทำท่อ) มีความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูง (1100~1650 องศา) และง่ายต่อการประมวลผลเมื่อเทียบกับทังสเตน จึงใช้ในภาคการผลิตหลอดอิเล็กตรอน (เกตและแอโนด) แหล่งกำเนิดแสงไฟฟ้า (วัสดุรองรับ) เครื่องมือแปรรูปโลหะ (แม่พิมพ์หล่อและรีดขึ้นรูปและหัวเจาะ) และอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ โมลิบดีนัมมีความทนทานต่อการกัดกร่อนของแก้วหลอมเหลว และออกไซด์ของโมลิบดีนัมไม่ปนเปื้อนแก้ว ตั้งแต่ปี 1943 โมลิบดีนัมถูกใช้ในอุตสาหกรรมแก้วเป็นอิเล็กโทรดให้ความร้อน โลหะผสม Mo-30W มีความต้านทานการกัดกร่อนของสังกะสีหลอมเหลวได้ดีเยี่ยม และนำไปใช้ในอุตสาหกรรมถลุงสังกะสีได้สำเร็จ โมลิบดีนัมยังใช้ในการผลิตส่วนประกอบเช่นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและวาล์วในการผลิตกรดซัลฟิวริก