غشاهای اولترافیلتراسیون طیف وسیعی از کاربردها را دارند، در درجه اول به این دلیل که می توانند جامدات معلق، کلوئیدها، باکتری ها و برخی مولکول های آلی بزرگ را از آب حذف کنند و در عین حال مولکول های آب و مولکول های کوچک را حفظ کنند. بنابراین، آنها نقش مهمی در فرآیندهای تصفیه و جداسازی آب در صنایع مختلف دارند.
غشاهای اولترافیلتراسیون معمولاً برای تصفیه عمیق آب لوله کشی استفاده می شوند. آنها می توانند به عنوان یک واحد تقویت کننده در فرآیندهای تصفیه معمولی، جایگزین یا تکمیل فرآیندهای سنتی فیلتراسیون شن و ماسه و ته نشینی، به طور موثر کدورت پساب و ایمنی میکروبی را بهبود بخشند، و به ویژه برای مناطقی با نوسانات قابل توجه در کیفیت آب منبع مناسب هستند.
غشاهای اولترافیلتراسیون اغلب به عنوان واحدهای پیش تصفیه یا تصفیه میانی استفاده می شوند. به عنوان مثال، در بالادست سیستم های اسمز معکوس، از آنها برای حذف ذرات معلق و آلاینده های آلی استفاده می شود و خطر رسوب غشاء پایین دست را کاهش می دهد. در صنایع برق، الکترونیک و شیمیایی، آنها همچنین برای تصفیه آب احیا شده و آماده سازی آب فرآیندی، بهبود بهره وری استفاده از منابع آب استفاده می شوند.
غشاهای اولترافیلتراسیون در فرآیندهای جداسازی و خالص سازی استفاده می شوند. به عنوان مثال می توان به غلظت پروتئین و فیلتراسیون شفاف آب میوه در صنایع لبنی و جداسازی آبگوشت تخمیر و خالص سازی پروتئین در بیوداروها اشاره کرد. این برنامه‌ها بر عملکرد در دمای پایین و قابلیت‌های نگهداری اجزا تأکید دارند و به حفظ فعالیت و کیفیت محصول کمک می‌کنند.
غشاهای اولترافیلتراسیون به طور گسترده در استفاده مجدد از آب خاکستری، تصفیه فاضلاب پیشرفته و فرآیندهای غشایی ترکیبی استفاده می شوند. به دلیل عملکرد پایدار فیلتراسیون و مقاومت قوی در برابر بارهای ضربه ای، آنها اغلب در سیستم های استفاده مجدد از فاضلاب شهری یا سیستم های تصفیه فاضلاب صنعتی پیشرفته استفاده می شوند و ابزار فنی مهمی برای دستیابی به بازیافت منابع آب هستند.