Levulinezuur is een organische verbinding met de molecuulformule C5H8O3. Het is gemakkelijk oplosbaar in water en sommige organische oplosmiddelen, maar onoplosbaar in benzine, kerosine, terpentijn en tetrachloorkoolstof. Het wordt vrijwel niet ontleed door atmosferische destillatie, maar verliest water en vormt onverzadigde lactonen door langdurige verhitting.
Levulinezuur is een multifunctionele verbinding die tegelijkertijd carbonyl-, -waterstof- en carboxylgroepen bevat. Het is de basisgrondstof voor de synthese van diverse lichtchemische producten. Het heeft een breed scala aan gebruikswaarden in de organische synthese, industrie, landbouw en geneeskunde. Het gehydrogeneerde product van levulinezuur, -valerolacton, is een hoogwaardig oplosmiddel en kan worden gebruikt als tussenproduct voor de bereiding van synthetisch rubber, koudebestendige weekmakers en oppervlakteactieve stoffen. Chloorlevulinezuur kan worden gebruikt als antibacterieel middel voor industrieel circulerend water. In de landbouw kan het aminezout van chloorlevulinezuur worden gebruikt als herbicide en ontbladeringsmiddel. In de geneeskunde kunnen ontstekingsremmende medicijnen en intraveneuze injecties worden bereid uit levulinezuur met behulp van zetmeel-, glucose- en cellulosegrondstoffen door middel van diepe hydrolyse. Gewoonlijk wordt het verwarmd in de aanwezigheid van zoutzuur (of zwavelzuur) of andere hydrolysekatalysatoren om 5-hydroxymethylfurfural te genereren, vervolgens ontleed door 5-hydroxymethylfurfural om levulinezuur te verkrijgen, gefilterd en geconcentreerd, en vervolgens vacuüm gedistilleerd of geëxtraheerd om het eindproduct te verkrijgen
Het kan worden gebruikt als een carbonzuurreactie of een ketonreactie. Door verestering, halogenering, hydrogenering, oxidatieve dehydrogenering, condensatie en andere chemische reacties kan een verscheidenheid aan producten worden verkregen. Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt als kunststofmodificator, oplosmiddel, medicijn, industriële chemicaliën, geurstof, tussenproduct van pesticiden, tussenproduct van organische synthese, polymeeradditief, smeermiddeladditief, oppervlakteactieve stof, drukinkt, rubberadditief, cosmetisch additief (inclusief shampoo, toiletartikelen) enz.