間充質干細胞的應用研究最早是用于骨和軟骨的修復，十九世紀就有人在從事這方面的研究，動物實驗中取得了很好的效果。現代醫學主要采用體外培養擴增后的間充質干細胞與組織工程學的支架材料復合制備出一個復合體，然后再植入缺損的部位。目前，這種治療在骨和肌腱的修復中已經相當成功，但還沒有辦法造出完美的軟骨，科學家們還在這個方面繼續努力著。
間充質干細胞還可以在體內或體外分化成骨骼肌細胞，因而可以再造肌組織，用于治療肌萎縮、肌營養不良等疾病。
間充質干細胞還可以分化成心肌細胞，這給廣大心臟病患者帶來了福音。目前國際上已經用間充質干細胞治療急性心肌梗死和慢性缺血性心臟病，都取得了不錯的療效。科學家們還在研究它們在非缺血性心肌病中的應用。事實上，因為干細胞移植在心肌疾病上的應用，美國近年來的心臟移植手術的數量一直都在下降中。