Zliatina molybdénu je neželezná zliatina zložená z molybdénu ako matrice a pridaním ďalších prvkov. Hlavnými legovacími prvkami sú titán, zirkónium, hafnium, volfrám a prvky vzácnych zemín. Prvky titánu, zirkónu a hafnia zohrávajú v zliatine molybdénu nielen úlohu zosilňovania tuhého roztoku a udržiavajú plasticitu zliatiny pri nízkych teplotách, ale vytvárajú aj stabilnú a difúzne distribuovanú karbidovú fázu na zlepšenie pevnosti a teploty rekryštalizácie zliatiny. Zliatina molybdénu má dobrú tepelnú vodivosť, elektrickú vodivosť a nízky koeficient rozťažnosti a má vysokú pevnosť pri vysokej teplote (1100 ~ 1650 stupňov), ktorá sa ľahšie spracováva ako volfrám. Môže sa použiť ako brána a anóda pre elektrónové trubice, nosný materiál pre elektrické svetelné zdroje a na výrobu foriem na tlakové liatie a vytláčanie, častí kozmických lodí atď. Pretože zliatiny molybdénu sú pri nízkych teplotách krehké a pri zváraní krehké a ľahko oxidujú pri vysokých teplotách, ich vývoj je obmedzený. Priemyselne vyrábané zliatiny molybdénu zahŕňajú zliatiny molybdén-titán-zirkónium, molybdén-volfrám a molybdén vzácnych zemín, pričom prvý typ sa používa častejšie. Hlavnými metódami spevnenia molybdénových zliatin sú spevnenie v roztoku, precipitačné spevnenie a mechanické spevnenie. Dosky, pásy, fólie, rúrky, tyče, drôty a profily zo zliatiny molybdénu je možné pripraviť spracovaním plastov a zlepšiť ich pevnosť a plasticitu pri nízkych teplotách.
Spomedzi žiaruvzdorných kovov má molybdén a jeho zliatiny dobrú tepelnú vodivosť, elektrickú vodivosť a nízky koeficient rozťažnosti (podobne ako sklo používané na rúrky), vysokú pevnosť pri vysokých teplotách (1100 ~ 1650 stupňov) a ľahko sa spracovávajú v porovnaní s volfrámom, preto sa používajú vo výrobnom sektore elektróniek (brána a anóda), elektrických svetelných zdrojov (nosný materiál), nástrojov na spracovanie kovov (tlakové liatie a vytláčacie formy a dierované hlavy) a v leteckom a kozmickom priemysle. Molybdén je odolný voči erózii roztaveného skla a jeho oxidy neznečisťujú sklo. Od roku 1943 sa molybdén používa v sklárskom priemysle ako vykurovacia elektróda. Zliatina Mo{4}}W má vynikajúcu odolnosť proti korózii roztaveného zinku a úspešne sa používa v priemysle tavenia zinku. Molybdén sa tiež používa pri výrobe komponentov, ako sú výmenníky tepla a ventily pri výrobe kyseliny sírovej.