無線寬帶移動通信
為了提高系統容量，下壹代的無線寬帶移動通信系統將會采用MIMO技術，即在基站端放置多個天線，在移動臺也放置多個天線，基站和移動臺之間形成MIMO通信鏈路。應用MIMO技術的無線寬帶移動通信系統從基站端的多天線放置方法上可以分為兩大類：壹類是多個基站天線集中排列形成天線陣列，放置於覆蓋小區，這壹類可以稱為集中式MIMO；另壹類是基站的多個天線分散放置在覆蓋小區，可以稱為分布式MIMO。
傳統蜂窩移動通信系統
MIMO技術可以比較簡單地直接應用於傳統蜂窩移動通信系統，將基站的單天線換為多個天線構成的天線陣列。基站通過天線陣列與小區內的具有多個天線的移動臺進行MIMO通信。從系統結構的角度看，這樣的MIMO系統與傳統的單入單出(SISO)蜂窩通信系統相比並沒有根本的區別。
和傳統的分布式天線系統相結合
傳統的分布式天線系統可以克服大尺度衰落和陰影衰落造成的信道路徑損耗，能夠在小區內形成良好的系統覆蓋，解決小區內的通信死角，提高通信服務質量。最近在MIMO技術的研究中發現，傳統的分布式天線系統與MIMO技術相結合可以提高系統容量，這種新的分布式MIMO系統結構——分布式無線通信系統(DWCS)[8]成為MIMO技術的重要研究熱點。
在采用分布式MIMO的DWCS系統中，分散在小區內的多個天線通過光纖和基站處理器相連接。具有多天線的移動臺和分散在附近的基站天線進行通信，與基站建立了MIMO通信鏈路。這樣的系統結構不僅具備了傳統的分布式天線系統的優勢，減少了路徑損耗，克服了陰影效應，同時還通過MIMO技術顯著提高了信道容量。與集中式MIMO相比，DWCS的基站天線之間距離較遠，不同天線與移動臺之間形成的信道衰落可以看作完全不相關，信道容量更大。總體上說，分布式MIMO系統的信道容量更大，系統功耗更小，系統覆蓋性能更好，系統具有更好的擴展性和靈活性。
分布式MIMO的DWCS系統也帶來了壹些新問題。移動臺和小區內鄰近的天線建立的MIMO鏈路，由於基站不同天線的位置不同，它們距離移動臺的距離不同，使得基站端的多個天線的信號到達移動臺的延時也不同，因此帶來新的研究問題。目前在這方面研究較多的是進行容量分析。除此之外的研究內容還包括：具體的同步技術、信道估計、天線選擇、發射方案、信號檢測技術等，這些問題有待深入研究。
無線通信領域
MIMO技術已經成為無線通信領域的關鍵技術之壹，通過近幾年的持續發展，MIMO技術將越來越多地應用於各種無線通信系統。在無線寬帶移動通信系統方面，第3代移動通信合作計劃(3GPP)已經在標準中加入了MIMO技術相關的內容，B3G和4G的系統中也將應用MIMO技術。在無線寬帶接入系統中，正在制訂中的802.16e、802.11n和802.20等標準也采用了MIMO技術。在其他無線通信系統研究中，如超寬帶(UWB)系統、感知無線電系統(CR)，都在考慮應用MIMO技術。
隨著使用天線數目的增加，MIMO技術實現的復雜度大幅度增高，從而限制了天線的使用數目，不能充分發揮MIMO技術的優勢。目前，如何在保證壹定的系統性能的基礎上降低MIMO技術的算法復雜度和實現復雜度，成為業界面對的巨大挑戰。
雷達領域
MIMO技術同樣也應用於雷達領域，主要通過多個天線發射不同的正交波形，同時覆蓋較大空域，並利用長時間相幹積累來獲得較高的信噪比。