El cloruro de pivaloílo es un reactivo acilante muy importante, utilizado principalmente como intermediario farmacéutico y como materia prima principal en la preparación de muchos fármacos de amidas y lípidos fenólicos. Actualmente se utiliza en la producción de hidroxilamina bencilo de penicilina; cefadroxilo, cefazolina, dipivaloil epinefrina y otros fármacos. También se utiliza ampliamente en la producción de pesticidas intermedios, como el cloruro de cloropivaloilo.
En síntesis química se utiliza para proteger el grupo amino y aumentar el efecto de impedimento estérico, facilitando la obtención de productos en una posición concreta.