לממברנות אולטרה סינון יש מגוון רחב של יישומים, בעיקר בגלל שהם יכולים להסיר ביציבות מוצקים מרחפים, קולואידים, חיידקים וכמה מולקולות אורגניות גדולות מהמים תוך שמירה על מולקולות מים ומולקולות קטנות. לכן, הם ממלאים תפקיד מכריע בתהליכי טיפול והפרדה במים בתעשיות שונות.
ממברנות אולטרה סינון משמשות בדרך כלל לטיהור עמוק של מי ברז. הם יכולים לשמש כיחידת שיפור בתהליכי טיפול קונבנציונליים, להחליף או להשלים תהליכי סינון ושקיעה מסורתיים של חול, לשפר ביעילות את עכירות הקולחים ובטיחות החיידקים, ומתאימים במיוחד לאזורים עם תנודות משמעותיות באיכות מי המקור.
ממברנות אולטרה סינון משמשות לעתים קרובות כיחידות טיפול מקדים או טיפול ביניים. לדוגמה, במעלה הזרם של מערכות אוסמוזה הפוכה, הם משמשים להסרת חומר חלקיקי ומזהמים אורגניים, ומפחיתים את הסיכון ללכלוך ממברנות במורד הזרם. בתעשיות החשמל, האלקטרוניקה והכימיקלים, הם משמשים גם לטיפול במים מוחזרים ולהכנת מים בתהליך, תוך שיפור יעילות ניצול משאבי המים.
ממברנות אולטרה סינון משמשות בתהליכי הפרדה וטיהור. דוגמאות כוללות ריכוז חלבון וסינון בירור מיץ בתעשיית החלב, הפרדת מרק תסיסה וטיהור חלבון בביו-פרמצבטיקה. יישומים אלו מדגישים יכולות-תפעול בטמפרטורה ושמירה על רכיבים נמוכים, ועוזרים לשמור על פעילות ואיכות המוצר.
ממברנות סינון אולטרה נמצאות בשימוש נרחב בשימוש חוזר במים אפורים, טיפול מתקדם בשפכים ותהליכי ממברנות משולבים. בשל ביצועי הסינון היציבים שלהם ועמידותם החזקה לעומסי זעזועים, הם משמשים לעתים קרובות במערכות לשימוש חוזר בשפכים עירוניים או במערכות מתקדמות לטיפול בשפכים תעשייתיים, ומהווים אמצעי טכני חשוב להשגת מיחזור משאבי מים.