זירקוניה משמשת במגוון רחב של יישומים ושווקים, כאשר יישומים ספציפיים כוללים תאי דלק מוצק, טיפול בפליטה של כלי רכב, חומרים דנטליים, כלי חיתוך קרמיים ותוספות סיבים אופטיים מזירקוניה. עם התפתחות קרמיקת הזירקוניה, חל שינוי משמעותי בתחומי היישום שלה. בעוד שבעבר היא שימשה בעיקר בחומרים עקשן, כיום היא הוסבה לקרמיקה מבנית, ביו-קרמיקה וקרמיקה פונקציונלית אלקטרונית, והשימוש בה גובר והולך בתחומי טכנולוגיה עילית כמו תעשיות התעופה וחלל.
1. חומרים חסיני אש
תחמוצת זירקוניום יציבה כימית ובעלת יציבות תרמית טובה ועמידות בפני הלם תרמי, כך שניתן להשתמש בה כציפוי קרמי עמיד בחום ומוצרים חסיני אש בטמפרטורה גבוהה. ניתן גם להוסיף אותה לחומרים חסיני אש אחרים כדי לשפר את עמידותם. חומרים חסיני אש העשויים מזירקוניה כוללים: זרבובית למידת זירקוניה, כורי היתוך מזירקוניה, סיבים חסיני אש מזירקוניה, לבני קורונדום מזירקוניה וחומרים חסיני אש כדוריים חלולים מזירקוניה, המשמשים בתעשיות המתכת והסיליקט.
2. קרמיקה מבנית
לקרמיקה מזירקוניה תכונות מכניות טובות והיא נמצאת בשימוש נרחב כחומרי מבנה הנדסיים. למיסבי קרמיקה מזירקוניה יש יציבות חיים גבוהה יותר מאשר מיסבי הזזה וגלגול מסורתיים, עמידות יותר בפני שחיקה וקורוזיה; ניתן לייצר קרמיקה מזירקוניה בטנות צילינדרים למנוע, טבעות בוכנה וחלקים אחרים, מה שיכול לשפר את היעילות התרמית תוך הפחתת המסה; שסתומי קרמיקה מזירקוניה יכולים להחליף ביעילות שסתומי סגסוגת מתכת מסורתיים, במיוחד בסביבות עבודה קשות, להפחית ביעילות את הבלאי ולשפר את עמידות הקורוזיה, ובכך לשפר מאוד את אורך החיים; ניתן להשתמש בקרמיקה מזירקוניה לייצור סכינים קרמיות, שהן חדות יותר מסכיני פלדה מסורתיות ובעלות מראה יפהפה וכו'.
3. קרמיקה פונקציונלית
תחמוצת זירקוניום מוליכה חשמלית בטמפרטורות גבוהות, במיוחד לאחר הוספת מייצבים. בנוסף, חומרים פיזואלקטריים הנוצרים מהמרכיבים העיקריים של זירקוניה נמצאים בשימוש נרחב. חיישני חמצן העשויים מזירקוניה רגישים ביותר ונמצאים בשימוש במספרים גדולים כדי לזהות את תכולת החמצן של פלדה מותכת, כדי לזהות את היחס בין חמצן לגז במנועים ולזהות את תכולת החמצן של גזי פליטה תעשייתיים. חומרים קרמיים מזירקוניה יכולים לשמש גם לחיישני טמפרטורה, קול, לחץ ותאוצה ומערכות גילוי אוטומטיות חכמות אחרות.
4. חומרים ביולוגיים רפואיים
היישומים הנפוצים ביותר של חומרי קרמיקה מזירקוניה בתחום הביו-רפואי הם כחומרים לשיקום שיניים וכלי כירורגיה; במדינות כמו יפן וארצות הברית, חומרי זירקוניה משמשים לייצור שיני חרסינה בעלות שקיפות, תאימות ביולוגית ואיכות טובה; וכמה חוקרים כבר הצליחו להשתמש בחומרי זירקוניה לייצור עצמות מלאכותיות למטרות רפואיות.