Ултрафилтрационните мембрани имат широк спектър от приложения, главно защото могат стабилно да отстраняват суспендирани твърди вещества, колоиди, бактерии и някои големи органични молекули от водата, като същевременно задържат водни молекули и малки молекули. Поради това те играят решаваща роля в процесите на пречистване и разделяне на водата в различни индустрии.
Ултрафилтрационните мембрани обикновено се използват за дълбоко пречистване на чешмяна вода. Те могат да служат като усилваща единица в конвенционалните процеси на пречистване, като заменят или допълват традиционните процеси на пясъчна филтрация и утаяване, като ефективно подобряват мътността на отпадъчните води и микробната безопасност и са особено подходящи за райони със значителни колебания в качеството на изходната вода.
Ултрафилтрационните мембрани често се използват като единици за предварителна или междинна обработка. Например в системите за обратна осмоза нагоре по веригата те се използват за отстраняване на прахови частици и органични замърсители, намалявайки риска от замърсяване на мембраната надолу по веригата. В енергетиката, електрониката и химическата промишленост те се използват също за пречистване на рециклирана вода и подготовка на технологична вода, подобрявайки ефективността на използване на водните ресурси.
Ултрафилтрационните мембрани се използват в процесите на разделяне и пречистване. Примерите включват концентрация на протеини и филтриране на избистряне на сок в млечната промишленост и отделяне на ферментационен бульон и пречистване на протеини в биофармацевтични продукти. Тези приложения наблягат на работа при ниски-температури и способности за задържане на компоненти, като помагат да се поддържа активността и качеството на продукта.
Ултрафилтрационните мембрани се използват широко при повторно използване на сивата вода, усъвършенствано пречистване на отпадъчни води и комбинирани мембранни процеси. Поради тяхната стабилна ефективност на филтриране и силна устойчивост на ударни натоварвания, те често се използват в системи за повторно използване на градски отпадъчни води или усъвършенствани системи за пречистване на промишлени отпадъчни води и са важно техническо средство за постигане на рециклиране на водните ресурси.