Il toluene deriva dal catrame di carbone e dal petrolio. È presente nella benzina e in molti solventi petroliferi. Viene utilizzato per produrre trinitrotoluene (TNT), diisocianato di toluene e benzene; come ingrediente per coloranti, farmaci e detergenti; e come solvente industriale per gomme, vernici, rivestimenti e oli.

Il toluene ha numerose applicazioni nell'industria chimica e petrolifera, con circa 6 milioni di tonnellate utilizzate annualmente negli Stati Uniti e 16 milioni di tonnellate a livello globale. Il principale utilizzo del toluene è come additivo per il numero di ottano nella benzina. Il toluene ha un numero di ottano di 114. Il toluene è uno dei quattro principali composti aromatici, insieme a benzene, xilene ed etilbenzene, che vengono prodotti durante la raffinazione per migliorare le prestazioni della benzina. Collettivamente, questi quattro composti sono abbreviati con la sigla BTEX. Il BTEX è un componente principale della benzina, costituendo circa il 18% in peso di una miscela tipica. Sebbene la proporzione degli aromatici vari per produrre miscele diverse in base alle esigenze geografiche e stagionali, il toluene è uno dei componenti principali. Una benzina tipica contiene circa il 5% di toluene in peso.
Il toluene è una materia prima primaria utilizzata per produrre vari composti organici. Viene utilizzato per produrre diisocianati. Gli isocianati contengono il gruppo funzionale αN = C = O, mentre i diisocianati ne contengono due. I due principali diisocianati sono il toluene 2,4-diisocianato e il toluene 2,6-diisocianato. La produzione di diisocianati in Nord America si avvicina al miliardo di libbre all'anno. Oltre il 90% della produzione di diisocianato di toluene viene utilizzata per la produzione di schiume poliuretaniche. Queste ultime vengono utilizzate come materiale di riempimento flessibile in mobili, biancheria da letto e cuscini. In forma rigida viene utilizzato per l'isolamento, rivestimenti rigidi, materiali da costruzione, componenti per auto e ruote per pattini a rotelle.

Nella produzione di acido benzoico, benzaldeide, esplosivi, coloranti e molti altri composti organici; come solvente per vernici, lacche, gomme, resine; diluente per inchiostri, profumi, coloranti; nell'estrazione di vari principi dalle piante; come additivo per benzina.