Sur le plan industriel, les olivines sont utilisées comme matériaux réfractaires dans les fours métallurgiques, comme abrasifs, comme sables de moulage en fonderie et comme matériaux de filtration. Leur point de fusion élevé, leur stabilité thermique et leur faible coefficient de dilatation les rendent particulièrement adaptées à ces applications. Elles interviennent également dans certaines céramiques techniques et dans la fabrication de matériaux résistants aux températures élevées.

Les olivines possèdent également un intérêt croissant dans le domaine des sciences de l'environnement. Leur altération naturelle consomme du dioxyde de carbone atmosphérique en produisant des carbonates stables. Ce processus inspire diverses stratégies de séquestration minérale du carbone destinées à atténuer les émissions anthropiques de CO2. L'accélération artificielle de l'altération des olivines fait ainsi l'objet de recherches en géo-ingénierie, même si les contraintes énergétiques, économiques et environnementales de ces approches demeurent importantes.

Les olivines constituent enfin des minéraux de première importance pour la recherche fondamentale. Leur étude expérimentale sous hautes pressions et hautes températures permet de mieux comprendre la dynamique du manteau terrestre, les mécanismes de convection, les propriétés des zones de subduction, la différenciation des planètes rocheuses et l'évolution des premiers solides du Système solaire. 

La structure cristalline des olivines appartient au système orthorhombique. Les tétraèdres SiO4 sont isolés les uns des autres et liés par deux types distincts de sites octaédriques, étiquetés M1 et M2, occupés principalement par les ions magnésium et fer. Cette disposition confère aux olivines une structure relativement compacte et dense. Les distances interatomiques ainsi que la répartition des cations influencent directement les propriétés physiques du minéral, notamment sa densité, ses indices de réfraction, sa susceptibilité magnétique et son comportement sous haute pression.

Les propriétés physiques des olivines reflètent leur structure interne. Leur dureté est comprise entre 6,5 et 7 sur l'échelle de Mohs. Leur densité varie d'environ 3,2 pour les compositions riches en magnésium jusqu'à plus de 4,4 pour les compositions riches en fer. L'éclat est vitreux, parfois légèrement gras sur les cassures fraîches. Le clivage est peu développé, tandis que la fracture est généralement conchoïdale à irrégulière. Les cristaux transparents sont relativement rares, la plupart des olivines apparaissant sous forme de grains xénomorphes, de cristaux subautomorphes ou d'agrégats grenus dans les roches magmatiques et métamorphiques.

Les propriétés optiques évoluent progressivement avec la composition chimique. Les indices de réfraction augmentent avec la teneur en fer, tout comme la densité et la biréfringence. Les olivines sont des minéraux biaxes positifs présentant un relief élevé au microscope polarisant. Elles montrent des couleurs d'interférence relativement vives et une extinction droite. Dans les roches déformées, elles développent parfois des structures internes complexes liées aux contraintes tectoniques, notamment des bandes de déformation et des sous-grains issus de la recristallisation dynamique.

Les variétés riches en magnésium présentent généralement des teintes vert olive, vert jaunâtre ou vert doré. L'augmentation de la teneur en fer produit des couleurs plus foncées tirant vers le brun ou le noir verdâtre. Les cristaux transparents suffisamment purs pour être utilisés comme pierres précieuses constituent le péridot. Cette variété gemme possède une couleur verte directement liée aux ions Fe²⁺ présents dans la structure cristalline, contrairement à de nombreuses autres gemmes dont la coloration résulte d'impuretés en faibles concentrations.

Du point de vue cristallochimique, les olivines représentent un exemple classique de solution solide isomorphe. Les ions magnésium et fer possèdent des rayons ioniques suffisamment proches pour se substituer librement dans la structure sans modifier profondément l'organisation cristalline. Cette substitution continue entraîne une variation progressive des propriétés physiques, chimiques et thermodynamiques du minéral. La détermination précise du rapport magnésium/fer constitue un outil majeur pour reconstituer les conditions de formation des roches magmatiques et mantelliques.

Les olivines cristallisent à haute température et figurent parmi les premiers minéraux à se former lors du refroidissement des magmas mafiques et ultramafiques. Selon la série réactionnelle de Bowen, elles apparaissent précocement dans les magmas basaltiques, avant les pyroxènes, les amphiboles et les feldspaths. Cette cristallisation précoce explique leur abondance dans les péridotites, dunites, harzburgites, lherzolites, wehrlites, gabbros et basaltes. Dans les chambres magmatiques, les cristaux d'olivine peuvent sédimenter sous l'effet de leur densité relativement élevée, donnant naissance à des cumulats riches en olivine.

Les olivines constituent le principal minéral du manteau supérieur terrestre. Dans les péridotites mantelliques, elles représentent généralement entre 50 et 80 % du volume rocheux. Leur comportement mécanique contrôle en grande partie les propriétés rhéologiques du manteau, notamment sa viscosité, sa déformation ductile et la propagation des ondes sismiques. Les dislocations cristallines qui se développent dans l'olivine sous l'effet des contraintes tectoniques expliquent une grande partie de l'anisotropie sismique observée dans le manteau supérieur.

Sous l'effet de l'augmentation de la pression, les olivines subissent plusieurs transitions de phase majeures. Vers 410 kilomètres de profondeur, la forstérite se transforme en wadsleyite, une phase plus dense conservant la même composition chimique mais possédant une structure cristalline différente. Aux environs de 520 kilomètres apparaît la ringwoodite. Enfin, vers 660 kilomètres de profondeur, la ringwoodite se décompose en bridgmanite et en ferropericlase, marquant la limite entre le manteau supérieur et le manteau inférieur. Ces transitions minéralogiques sont responsables de discontinuités sismiques majeures observées à l'échelle planétaire.

La wadsleyite et la ringwoodite possèdent une propriété géophysique particulièrement importante : elles peuvent incorporer plusieurs pourcents d'eau sous forme d'ions hydroxyles dans leur structure cristalline. Cette capacité suggère que la zone de transition du manteau pourrait constituer un immense réservoir d'eau interne, susceptible de contenir une quantité comparable ou supérieure au volume total des océans de surface. Cette découverte a profondément renouvelé la compréhension du cycle profond de l'eau et des échanges entre la surface terrestre et l'intérieur de la planète.

Les olivines sont relativement instables dans les conditions de surface. En présence d'eau, elles réagissent facilement pour former des serpentines, du talc, de la magnétite, de la brucite et divers minéraux hydratés. Cet ensemble de réactions, appelé serpentinisation, est fondamental dans les dorsales océaniques et les zones de subduction. La serpentinisation s'accompagne d'une augmentation de volume, d'une diminution de densité et de la production d'hydrogène moléculaire par oxydation du fer. Cet hydrogène peut alimenter des communautés microbiennes chimiotrophes vivant dans les environnements hydrothermaux profonds et favoriser la synthèse abiotique de molécules organiques.

L'altération superficielle des olivines conduit également à la formation d'oxydes de fer, d'argiles et de silice amorphe. Dans les climats tropicaux, cette altération peut être particulièrement rapide, expliquant la rareté des olivines dans les sédiments matures. Contrairement au quartz, extrêmement résistant à l'altération, les olivines disparaissent généralement après quelques cycles d'érosion et de transport.

En géochimie, les olivines constituent un excellent enregistreur des processus mantelliques. Elles incorporent de nombreux éléments traces tels que le nickel, le cobalt, le manganèse, le chrome, le vanadium ou encore certains éléments du groupe du platine. La concentration en nickel est particulièrement élevée dans les olivines mantelliques, ce qui permet de distinguer leur origine des olivines cristallisées dans des magmas évolués. Les rapports isotopiques de l'oxygène, du magnésium et d'autres éléments contenus dans les olivines apportent également des informations essentielles sur les réservoirs mantelliques et les processus de différenciation planétaire.

Les inclusions présentes dans les olivines constituent une source d'informations précieuse. Elles peuvent contenir des fluides, des sulfures, des oxydes, des pyroxènes, des chromites ou encore de minuscules cristaux d'autres phases mantelliques. Ces inclusions permettent de reconstituer les conditions de température, de pression et de composition chimique régnant dans le manteau lors de la croissance des cristaux.

Les olivines sont souvent associées aux chromitites, aux gisements de nickel sulfuré, aux concentrations de platinoïdes et à divers minerais formés dans les intrusions mafiques stratifiées. Leur comportement vis-à-vis des éléments sidérophiles contribue à la concentration de métaux d'intérêt économique dans certaines chambres magmatiques.

Dans le Système solaire, les olivines figurent parmi les premiers minéraux condensés dans la nébuleuse protosolaire il y a environ 4,56 milliards d'années. Les inclusions réfractaires et de nombreux chondres des chondrites contiennent des cristaux d'olivine particulièrement riches en magnésium. Ces minéraux constituent ainsi des témoins directs des premières étapes de la formation des planètes.

Les météorites différenciées, notamment les pallasites, renferment de grands cristaux d'olivine souvent transparents et de qualité gemme. Ces cristaux sont interprétés comme provenant de la limite entre le noyau métallique et le manteau silicaté d'anciens planétésimaux différenciés détruits par des collisions. Les achondrites et plusieurs autres familles de météorites présentent également des olivines dont la composition renseigne sur les processus magmatiques ayant affecté leurs corps parents.

Les observations spectroscopiques réalisées depuis les sondes spatiales montrent que les olivines sont abondantes sur la Lune, sur Mars, sur Mercure ainsi que sur de nombreux astéroïdes. Des affleurements riches en olivine ont notamment été identifiés dans les bassins d'impact martiens, suggérant l'exposition locale de matériaux mantelliques ou de roches ultramafiques profondes. Sur plusieurs astéroïdes différenciés, la présence d'olivine indique l'existence ancienne d'une structure interne comparable à celle des planètes telluriques. Les analyses effectuées sur les échantillons rapportés de l'astéroïde (25143) Itokawa ont confirmé l'abondance d'olivines magnésiennes, cohérente avec leur origine dans une chondrite ordinaire métamorphisée. Des signatures spectrales attribuées à l'olivine ont également été identifiées sur (4) Vesta et sur plusieurs autres astéroïdes de types A et S.