单片机已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找出哪个领域没有单片机的痕迹。随着电子信息技术的飞速发展，单片机逐渐完善并应用到各个领域，其中自动化是应用最广泛的领域。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医疗设备、航空航天和特种设备的智能管理和过程控制。
智能仪器单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、小型化、使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中。结合不同类型的传感器，可以测量电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量。单片机控制的使用使仪器数字化、智能化、小型化，其功能比电子或数字电路更强大。
工业控制单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应性强、扩展灵活、使用方便等优点。用单片机可以组成控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线传感系统、测控系统、机器人等各种应用控制系统。比如工厂流水线的智能管理，电梯的智能控制，各种报警系统，与计算机联网形成二级控制系统。
家用电器家用电器被单片机广泛控制，从电饭煲、洗衣机、冰箱、空调、彩电、其他影音设备，到电子秤、白色家电。
网络与通信现代单片机一般都有通信接口，可以方便地与计算机进行通信，为计算机网络与通信设备之间的应用提供了极好的物质条件。通信设备基本实现了单片机智能控制，从手机、电话、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信，到手机、集群移动通信、收音机等等，在日常工作中随处可见。
设备领域单片机也广泛应用于医疗设备中，如医用呼吸机、各种分析仪、监护仪、超声诊断仪和病床呼叫系统等。
汽车电子单片机广泛应用于汽车电子中，如汽车中的发动机控制器、基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器、GPS导航系统、abs防抱死系统、制动系统、胎压检测等。此外，单片机还广泛应用于工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流、国防航天等领域。
模块化系统一些特殊的单片机是为了实现特定的功能而设计的，这样就可以在各种电路中模块化，而不需要用户了解其内部结构。比如音乐集成单片机，看似简单的功能，在纯电子芯片中的微型(不同于磁带机的原理)，需要复杂的类似计算机的原理。例如，音乐信号以数字形式存储在存储器(类似于ROM)中，由微控制器读取并转换为模拟音乐电信号(类似于声卡)。在大规模电路中，这种模块化的应用大大缩小了体积，简化了电路，降低了损坏和出错率，也便于更换。
