Молибден — тугоплавкий металл (температура плавления 2623°C) с высоким модулем упругости 329 ГПа (в 1,7 раза выше стали) и низким коэффициентом теплового расширения 4,8×10⁻⁶/°C (в 2,5 раза ниже стали). Это сочетание определяет применение в высокотемпературных конструкциях, где нужна жёсткость при нагреве без коробления.
В стальных сплавах молибден играет несколько ролей. Повышение прокаливаемости: 0,15–0,30% Mo удваивает прокаливаемость стали без снижения свариваемости (Mo не повышает углеродный эквивалент CEV так резко, как Cr или Mn). Повышение высокотемпературной прочности: стали Cr-Mo (15ХМ, 12Х2МФ) для паропроводов — Mo стабилизирует карбиды и предотвращает разупрочнение при 450–600°C. Нержавеющие стали AISI 316 (10Х17Н13М2, Mo 2–3%): молибден подавляет питтинговую коррозию в хлоридсодержащих средах — PREN = %Cr + 3,3×%Mo + 16×%N; минимальный PREN для применения в морской воде — 40.
Молибденовые дисульфид MoS₂ — один из лучших твёрдых смазочных материалов: коэффициент трения 0,01–0,05 в вакууме и инертных газах, 0,1–0,2 на воздухе. Слоистая кристаллическая структура MoS₂ обеспечивает лёгкое скольжение между слоями — применяется в смазках для вакуумных механизмов и антифрикционных покрытиях для деталей, работающих в широком температурном диапазоне −180°C…+450°C. Деградация на воздухе при 450°C: MoS₂ окисляется до MoO₃ с потерей смазочных свойств.