イオン交換樹脂中の固定イオンと様々な溶液中の対立イオン（交換されるイオン）との吸着の差を利用することによって、溶液に含まれた各イオンを分離することができる。
主要な用途として、中性塩の分解・脱塩と、特定イオン基の回収・除去があげられ、化学工業での物質精製などに用いられている。
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硬水の軟化処理 炭酸水素カルシウムを塩化ナトリウムまたは水に交換することで、軟水に変える。
純水、超純水の製造 水中のイオンを水素イオンと水酸化物イオンにそれぞれ交換し、両者は反応して水になる。最近はイオン交換膜と組み合わせることで、再生不要の装置が開発されている。
海水淡水化 初期の淡水化事業で、脱塩に利用された。
有機酸の除去 活性炭で吸着除去しにくい低分子の有機酸を、弱陰イオン交換樹脂が効率よく交換除去することができることを利用し、商品価値を向上させる。
濃縮果汁から有機酸を除去して酸味を取り除く。
粗精製されたショ糖や水飴などを着色している有機酸を除去し、脱色（白く、または透明に）する。
アルコールや食用・薬用油脂類に含まれる不純物を除去、精製する。
アミノ酸やビタミン、抗生物質などの有用有機酸、有機アミンを抽出・精製する。
金属イオンの分離・回収 貴金属、レアアースなどをキレート樹脂なども組み合わせて回収する。
ウランの化学濃縮にも使用される。
燃料電池の高分子固体電解質に使用される。スルホ系イオン交換樹脂を使用した燃料電池はジェミニ宇宙船に搭載された。現在は耐久性イオン伝導性に優れたフッ素樹脂系イオン交換樹脂が用いられる。