Průmyslově vyráběné slitiny molybdenu lze rozdělit na slitiny řady Mo-Ti-Zr, řady Mo-W a řady Mo-Re a také slitiny řady Mo-Hf-C, které jsou precipitací zpevněny částicemi karbidu hafnia. Slitina TZM má vynikající komplexní vlastnosti a je nejpoužívanější slitinou molybdenu. Slitina TZC (Mo-1,25 Ti-0,15 Zr-0,15C) má vyšší pevnost za vysokých teplot a teplotu rekrystalizace než TZM, ale je obtížně zpracovatelná a její použití je omezené.
Slitiny molybdenu mají nedostatky, jako je křehkost při nízké teplotě, křehkost při svařování a oxidace za vysokých teplot, takže jejich vývoj je omezený. Je obtížné zlepšit odolnost slitin molybdenu proti oxidaci při vysokých teplotách legováním. V současnosti se pro zlepšení tohoto výkonu používají pouze ochranné nátěry. Hlavním problémem při výzkumu slitin molybdenu je zlepšení vysokoteplotní pevnosti a rekrystalizační teploty a zlepšení nízkoteplotní plasticity materiálu. Hlavním problémem při studiu čistých molybdenových materiálů je zlepšení nízkoteplotní plasticity, tedy snížení jeho plasticity-křehké přechodové teploty.
Hlavními způsoby zpevňování slitin molybdenu jsou zpevnění tuhým roztokem, precipitační zpevnění a mechanické zpevnění (viz zpevňování kovů). Titan, zirkonium a hafnium jsou hlavními legujícími prvky molybdenu. Vliv legujících prvků na tvrdost molybdenových válcovaných tyčí je znázorněn na obrázku na další straně. Titan, zirkonium a hafnium mohou nejen zpevnit a udržet nízkoteplotní plasticitu materiálu, ale také vytvořit stabilní a rozptýlenou karbidovou fázi, která zlepšuje pevnost a teplotu rekrystalizace materiálu.
Intersticiální nečistoty uhlík, dusík, zejména kyslík, mají vážný dopad na teplotu přechodu plasticita-křehkost. Jejich rozpustnost v molybdenu je extrémně nízká (ne více než 1 ppm při pokojové teplotě) a přebytečné intersticiální prvky jsou distribuovány na hranicích zrn ve formě sloučenin molybdenu, což snižuje pevnost hranic zrn a způsobuje křehký lom mezi zrny. Přidání stopového boru do molybdenové slitiny může zjemnit zrna, vyčistit hranice zrn a změnit morfologii hranic zrn, čímž se zlepší plasticita molybdenu: přidání stopových prvků, jako je železo a yttrium, může také zlepšit plasticitu při nízkých teplotách (viz rozhraní). V roce 1955 G. Geach a J. Hughes objevili, že rhenium může výrazně zlepšit plasticitu molybdenu a wolframu a může snížit teplotu přechodu z plasticity a křehkého molybdenu na -200 ℃.