纳米纤维素具有许多独特的物理和化学特性，例如高强度和高模量，高比表面积，生物相容性和可降解性，透明性和可加工性等，这使其在众多领域中具有广泛的应用前景。
生物应用
纳米纤维素是纯天然的生物材料，在生物方面的用途极为广泛，包括生物传感器的制造、生物载体、生物医学材料、无机材料的生物模板，和无机材料复合制备生物活性的组织学支架，磁性药物载体，甚至工业净化等。
医学应用
纳米纤维素具有特殊的结构和优良性质，近年来开始应用于生物医学的研究。其中细菌纤维素由于其天然的纳米网状结构和抗菌特性，广泛应用于生物医学领域。研究发现，纳米纤维素在活体中还未发现有任何排异反应和炎症发生‚能够应用于伤口抗菌敷料、人工移植物以及防紫外线化妆品领域。
增强剂
纳米纤维素可以作为聚合物基底的增强剂。纳米纤维素的纳米尺度网状结构，使它拥有优越的机械性能，不仅在组织工程学支架方面得到重视，在作为增强光学透明性材料或者热塑性塑料的增强中也得到了很好的应用‚并且纳米纤维素不会较大的影响到原来材料的其它特性。
造纸工业
细菌纤维素湿膜经打浆分散后受到切断、吸水润胀和细纤维化等作用，制得的细菌纤维能很好地与植物纤维结合‚具有良好的抄造特性，可作为进一步开发特种纸或功能纸的造纸原料。细菌纤维素比表面积大，氢键结合的能力强，成膜性能好。
食品工业
随着人们对纳米纤维素研究的进一步加深，这种纯天然无毒无害的纤维素产品在冰淇淋、肉丸、酸奶等等领域都开始应用。由于细菌纤维素无法达到脂肪的颗粒大小不能被人体消化利用，也很难形成油脂般的状态，因此可以应用到低脂肉制品及乳制品中。
无机物复合
纳米纤维素由于其优良的生物适应性和独特的纳米尺度网状结构，以及细菌纤维素所独具的天然的抗菌特性，使得它在作为无机物模板、抗菌复合物以及与无机物复合制备人体内移植材料等方面不断发展。