Василек синий содержит жирное масло до 28,2% из семян, дубильные вещества — до 3,34%.  В  медицине применяется издавна. Настой цветков обладает мочегонным, потогонным, желчегонным, легким слабительным, противолихорадочным, жаропонижающим, противовоспалительным, противоспазматическим, обезболивающим и ранозаживляющим действием. Цветки входят в состав мочегонных сборов.

Наружно настой цветков применяют в виде глазных капель и примочек при глазных болезнях. Лечебная трава василька лугового обладает мочегонным, желчегонным, противовоспалительным, обезболивающим действием. Водный настой применяют при водянке, желтухе, задержке менструаций. Настой корней используется при поносах. Свежие растения в виде припарок прикладывают к больным частям тела при ломоте. Для устранения отеков присыпают их порошком сухих листьев этого растения.  Цветки применяют при аллергии и аллергическом дерматозе у детей, нейродермите (отягощенном бронхиальной астмой), в сборе, — при фурункулах, сыпи, скрофулезе. Настои цветков применяют в послеродовой период как лактогенное, а также при поздних токсикозах беременных (нефропатии).

В качестве примочек отвар цветков применяют при болезнях глаз и как противовоспалительное при конъюнктивитах, блефарите, ларингитах, бронхитах (в том числе астматическом), ангинах, холангите. Настои пьют при отравлениях как детоксикационное.  Василек синий по сахароснижающей активности превосходит препарат бутамид, рекомендован для комплексного лечения сахарного диабета; настой цветков оказывает антигипоксическое действие. Антиоксидантными свойствами обладает спиртовой экстракт надземных частей василька синего: листья, цветки. Надземные части имеют антиамебную и антитрихомонадную активность.