Les membranes d'ultrafiltració tenen un ampli ventall d'aplicacions, principalment perquè poden eliminar de manera estable els sòlids en suspensió, els col·loides, els bacteris i algunes molècules orgàniques grans de l'aigua mentre retenen molècules d'aigua i molècules petites. Per tant, tenen un paper crucial en els processos de tractament i separació de l'aigua en diverses indústries.
Les membranes d'ultrafiltració s'utilitzen habitualment per a la purificació profunda de l'aigua de l'aixeta. Poden servir com a unitat de millora en els processos de tractament convencionals, substituint o complementant els processos tradicionals de filtració i sedimentació de sorra, millorant eficaçment la terbolesa de l'efluent i la seguretat microbiana, i són especialment adequats per a zones amb fluctuacions importants en la qualitat de l'aigua de font.
Les membranes d'ultrafiltració s'utilitzen sovint com a unitats de pretractament o tractament intermedi. Per exemple, a l'amunt dels sistemes d'osmosi inversa, s'utilitzen per eliminar partícules i contaminants orgànics, reduint el risc d'encrassement de la membrana aigües avall. A les indústries de l'energia, l'electrònica i la química, també s'utilitzen per al tractament d'aigua recuperada i la preparació d'aigua de procés, millorant l'eficiència en l'ús dels recursos hídrics.
Les membranes d'ultrafiltració s'utilitzen en processos de separació i purificació. Alguns exemples inclouen la concentració de proteïnes i la filtració de clarificació de sucs a la indústria làctia, i la separació del brou de fermentació i la purificació de proteïnes en productes biofarmacèutics. Aquestes aplicacions posen l'accent en el funcionament a baixa-temperatura i les capacitats de retenció de components, ajudant a mantenir l'activitat i la qualitat del producte.
Les membranes d'ultrafiltració s'utilitzen àmpliament en la reutilització d'aigües grises, el tractament avançat d'aigües residuals i els processos combinats de membranes. A causa del seu rendiment de filtració estable i una forta resistència a les càrregues de xoc, sovint s'utilitzen en sistemes de reutilització d'aigües residuals urbanes o sistemes avançats de tractament d'aigües residuals industrials, i són un mitjà tècnic important per aconseguir el reciclatge dels recursos hídrics.