Le toluène est dérivé du goudron de houille et du pétrole. Il est présent dans l'essence et de nombreux solvants pétroliers. Il est utilisé pour produire du trinitrotoluène (TNT), du diisocyanate de toluène et du benzène ; il entre dans la composition de colorants, de médicaments et de détergents ; et comme solvant industriel pour les caoutchoucs, les peintures, les revêtements et les huiles.

Le toluène a de nombreuses applications dans l'industrie chimique et pétrolière, avec environ 6 millions de tonnes utilisées chaque année aux États-Unis et 16 millions de tonnes dans le monde. Il est principalement utilisé comme booster d'octane dans l'essence. Son indice d'octane est de 114. Le toluène est l'un des quatre principaux composés aromatiques, avec le benzène, le xylène et l'éthylbenzène, produits lors du raffinage pour améliorer les performances de l'essence. Collectivement, ces quatre composés sont abrégés en BTEX. Le BTEX est un composant majeur de l'essence, représentant environ 18 % en poids d'un mélange type. Bien que la proportion d'aromatiques varie pour produire différents mélanges en fonction des exigences géographiques et saisonnières, le toluène en est l'un des principaux composants. Une essence type contient environ 5 % en poids de toluène.
Le toluène est une matière première primaire utilisée pour produire divers composés organiques. Il est utilisé pour produire des diisocyanates. Les isocyanates contiennent le groupe fonctionnel « N = C = O », et les diisocyanates en contiennent deux. Les deux principaux sont le toluène-2,4-diisocyanate et le toluène-2,6-diisocyanate. La production de diisocyanates en Amérique du Nord avoisine le milliard de livres par an. Plus de 90 % de la production de toluène-diisocyanate sert à la fabrication de mousses de polyuréthane. Ces dernières sont utilisées comme rembourrage souple dans les meubles, la literie et les coussins. Sous forme rigide, il est utilisé pour l'isolation, les revêtements de coques dures, les matériaux de construction, les pièces automobiles et les roues de patins à roulettes.

Dans la fabrication d'acide benzoïque, de benzaldéhyde, d'explosifs, de colorants et de nombreux autres composés organiques ; comme solvant pour peintures, laques, gommes, résines ; diluant pour encres, parfums, colorants ; dans l'extraction de divers principes à partir de plantes ; comme additif pour l'essence.