Gradiometar mjeri brzinu promjene koja se događa u poznatoj količini, što može uključivati bilo što, od temperature do tlaka do magnetskog ili gravimetrijskog polja. Gradiometri imaju brojne, raširene primjene u znanosti. Koriste se u svemu, od arheologije do kartiranja Zemljine površine i klime.
Gravitacijski gradiometar može se koristiti za mjerenje gustoće slojeva zemlje ispod površine za istraživanje nafte i minerala. Razvijaju se njihove minijaturne verzije za otkrivanje podzemnih oceana, kao što je možda Saturnov mjesec Enceladus. Radio gradiometri postavljeni su na bespilotne letjelice (UAV) koje američka vojska koristi za otkrivanje provodnih žica improviziranih eksplozivnih naprava (IED) ispod cesta u Iraku, a također se koriste za otkrivanje podzemnih tunela preko Meksika do SAD-a granica koju koriste krijumčari droge. Budući da je gradiometar također vrsta inklinometra, oni se također mogu koristiti za mjerenje kutova u odnosu na horizont za građevinsku i geodetsku opremu, putanje leta zrakoplova i sportske bicikliste za skijaško trčanje.
Gravitacijska gradiometrija ima različite razine sofisticiranosti za mjerenje različitih osi ubrzanja, što ovisi o tome koliko je neovisnih mjernih gradiometara ili akcelerometarskih jedinica ugrađeno u uređaj. Svi gradiometri, međutim, uzimaju proizvedene podatke i uspoređuju ih sa standardnom količinom kako bi se odredila stopa promjene ili nagib gradijenta koji postoji. Tehnologija gravitacijskog gradiometra već se koristi u svemiru u gravitacijskom polju i stabilnom Ocean Circulation Explorer (GOCE), koji je lansirala Europska svemirska agencija (ESA) u nisku Zemljinu orbitu 2009. godine.
Letjelica GOCE kruži u vanjskoj atmosferi na visini od 162 milje (260 kilometara) kako bi povećala razlučivost gradiometara na brodu, gdje proučava ponašanje oceanskih struja i vulkanske aktivnosti. Od 2009. istraživači sa Sveučilišta Twente u Nizozemskoj dizajniraju minijaturnu verziju gradiometra temeljenu na sličnim principima, koji bi težio samo 35 unci (jedan kilogram) i mogao bi se dodati svemirskim sondama poslanim u istraživanje Sunčevog sustava. Dvije mase opterećene oprugama obješene oprugama izmjerile bi usporedive varijacije gravitacijske sile na ljestvici pikometra, ili trilijunti dio metra. Ovi gradiometri mogli bi razlučiti podzemne mjesečeve značajke promjera 124 milje (200 kilometara) ili manje.
Gradiometri radio valova, izvorno korišteni u rudarskoj industriji kao ručne jedinice, prilagođeni su 2004. da lete na UAV zrakoplovima oko 200 stopa (61 metar) iznad tla. Oni emitiraju radio val i otkrivaju refleksije povratnog vala koje se mijenjaju prisutnošću metalnih vodiča ispod površine ili šupljih struktura. Izvorni radio val detektori filtriraju kao neku vrstu šuma, što omogućuje da se vide mnogo slabije varijacije vala zbog razlika u gradijentu ispod zemlje. Vlada SAD-a nastavila je sponzorirati korištenje i razvoj takvih radiogradiometarskih sustava s tekućim terenskim testovima od 2007. i 2008. godine.
Druga vrsta gradiometra je magnetski gradiometar koji se koristi u arheologiji i srodnim poljima. Pokazuje sposobnost da na njega ne utječu fluktuacije u magnetskom polju Zemlje uzrokovane magnetskim olujama, a koristi se za lociranje vrlo malih anomalija u blizini površine koje bi mogle ukazivati na fosile ili druge naslage iz drevnih civilizacija. Dizajn gradiometra fluxgate i senzora pare cezija koriste se zajedno za mjerenje magnetskog polja koje Zemlja daje ukopanim zidovima, ispaljenim ostacima objekata i tako dalje tijekom vremena. Ta se očitanja zatim uspoređuju sa pozadinskim magnetskim poljem Zemlje kako bi se locirala arheološka obilježja na malim dubinama.