Aloi molibdenum ialah aloi bukan ferus yang terdiri daripada molibdenum sebagai matriks dan menambah unsur lain. Unsur pengaloian utama ialah unsur titanium, zirkonium, hafnium, tungsten dan nadir bumi. Unsur titanium, zirkonium dan hafnium bukan sahaja memainkan peranan pengukuhan penyelesaian pepejal dalam aloi molibdenum dan mengekalkan keplastikan suhu rendah aloi, tetapi juga membentuk fasa karbida yang stabil dan teragih untuk meningkatkan kekuatan dan suhu penghabluran semula aloi. Aloi molibdenum mempunyai kekonduksian terma yang baik, kekonduksian elektrik dan pekali pengembangan yang rendah, dan mempunyai kekuatan tinggi pada suhu tinggi (1100 ~ 1650 darjah), yang lebih mudah diproses daripada tungsten. Ia boleh digunakan sebagai pintu dan anod untuk tiub elektron, bahan sokongan untuk sumber cahaya elektrik, dan untuk membuat acuan die-casting dan penyemperitan, bahagian kapal angkasa, dll. Kerana aloi molibdenum rapuh pada suhu rendah dan rapuh dalam kimpalan, dan mudah teroksida pada suhu tinggi, perkembangannya terhad. Aloi molibdenum yang dihasilkan secara industri termasuk molibdenum-titanium-zirkonium, molibdenum-tungsten dan aloi nadir bumi molibdenum, dan jenis pertama lebih banyak digunakan. Kaedah pengukuhan utama aloi molibdenum ialah pengukuhan larutan, pengukuhan pemendakan dan pengerasan kerja. Plat aloi molibdenum, jalur, kerajang, tiub, bar, wayar dan profil boleh disediakan melalui pemprosesan plastik, dan kekuatan dan keplastikan suhu rendah juga boleh dipertingkatkan.
Di antara logam refraktori, molibdenum dan aloinya mempunyai kekonduksian terma yang baik, kekonduksian elektrik dan pekali pengembangan yang rendah (serupa dengan kaca yang digunakan untuk tiub), kekuatan tinggi pada suhu tinggi (1100~1650 darjah), dan mudah diproses berbanding dengan tungsten, jadi ia digunakan dalam sektor pembuatan tiub elektron (pintu dan anod), sumber cahaya elektrik (bahan sokongan), alat pemprosesan logam (die-casting dan mati penyemperitan dan kepala berlubang) dan industri aeroangkasa. Molibdenum tahan terhadap hakisan kaca cair, dan oksidanya tidak mencemarkan kaca. Sejak tahun 1943, molibdenum telah digunakan dalam industri kaca sebagai elektrod pemanasan. Aloi Mo-30W mempunyai rintangan yang sangat baik terhadap kakisan zink cair dan telah berjaya digunakan pada industri peleburan zink. Molibdenum juga digunakan dalam pembuatan komponen seperti penukar haba dan injap dalam penghasilan asid sulfurik.