Gradiometer meri hitrost spremembe, ki se pojavi v znani količini, ki lahko vključuje kar koli, od temperature do tlaka do magnetnega ali gravimetričnega polja. Gradiometri imajo številne, široko razširjene aplikacije v znanosti. Uporabljajo se v vsem, od arheologije do kartiranja zemeljskega površja in podnebja.
Gravitacijski gradiometer se lahko uporablja za merjenje gostote plasti zemlje pod površjem za raziskovanje nafte in mineralov. Razvijajo se njihove miniaturizirane različice za odkrivanje podzemnih oceanov, kot je morda Saturnova luna Enceladus. Radijski gradiometri so bili nameščeni na letala brez posadke (UAV), ki jih ameriška vojska uporablja za odkrivanje prevodnih žic improviziranih eksplozivnih naprav (IED) pod cestami v Iraku, uporabljajo pa se tudi za odkrivanje podzemnih predorov med Mehiko in ZDA. meja, ki jo uporabljajo tihotapci drog. Ker je gradiometer tudi vrsta inklinometra, se lahko uporablja tudi za merjenje kotov glede na obzorje za gradbeno in geodetsko opremo, letalske poti in tekaške športne kolesarje.
Gravitacijska gradiometrija ima različne stopnje sofisticiranosti za merjenje različnih osi pospeška, kar je odvisno od tega, koliko neodvisnih merilnih gradiometer ali enot merilnika pospeška je vključenih v napravo. Vsi gradiometri pa vzamejo pridobljene podatke in jih primerjajo s standardno količino, da določijo stopnjo spremembe ali obstoječo naklon gradienta. Tehnologija gravitacijskega gradiometra se že uporablja v vesolju v gravitacijskem polju in v stabilnem stanju Ocean Circulation Explorer (GOCE), ki ga je Evropska vesoljska agencija (ESA) izstrelila v nizko zemeljsko orbito leta 2009.
Plovilo GOCE kroži v zunanji atmosferi na višini 162 milj (260 kilometrov), da bi povečalo ločljivost gradiometrov na krovu, kjer preučuje obnašanje oceanskih tokov in vulkanske aktivnosti. Od leta 2009 raziskovalci na Univerzi Twente na Nizozemskem načrtujejo miniaturno različico gradiometra, ki temelji na podobnih principih, ki bi tehtal le 35 unč (en kilogram) in bi ga lahko dodali vesoljskim sondam, poslanim za raziskovanje sončnega sistema. Dve z vzmetmi obremenjeni masi, obešeni z vzmeti, bi izmerili primerljive variacije gravitacijskega vlečenja s pikometrsko lestvico ali eno bilijonko metra. Ti gradiometri bi lahko razločili podzemne lune s premerom 124 milj (200 kilometrov) ali manj.
Gradiometri radijskih valov, ki so se prvotno uporabljali v rudarski industriji kot ročne enote, so bili leta 2004 prilagojeni za letenje na letalih UAV približno 200 čevljev (61 metrov) nad tlemi. Oddajajo radijski val in zaznavajo odboje valov nazaj, ki so spremenjeni zaradi prisotnosti kovinskih prevodnikov pod površino ali votlih struktur. Prvotni radijski val detektorji filtrirajo kot nekakšen šum, kar omogoča opazovanje veliko šibkejših variacij valovanja zaradi razlik v gradientih pod zemljo. Vlada ZDA je še naprej sponzorirala uporabo in razvoj takšnih sistemov radijskih gradiometrov s tekočimi terenskimi testi od leta 2007 in 2008.
Druga vrsta gradiometra je magnetni gradiometer, ki se uporablja v arheologiji in sorodnih področjih. Dokazuje sposobnost, da nanj ne vplivajo nihanja v zemeljskem magnetnem polju, ki jih povzročajo magnetne nevihte, in se uporablja za lociranje zelo majhnih anomalij v bližini površine, ki bi lahko kazale na fosile ali druga nahajališča starodavnih civilizacij. Gradiometer fluxgate in zasnova senzorja cezijeve pare se uporabljata skupaj za merjenje magnetnega polja, ki ga Zemlja oddaja vkopanim stenam, izžganim ostankom predmetov in tako naprej skozi čas. Ti odčitki se nato primerjajo z zemeljskim magnetnim poljem v ozadju, da se najdejo arheološke značilnosti na plitvih globinah.